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负刚度隔振技术

发布时间:2020-12-24 14:07:39 浏览量:783 作者:Richard

摘要

在低频干扰的环境中隔振,需要满足隔振系统的固有频率足够小,这在工艺和弹性元件选择上都有一定的困难。此处提供一种通过刚性

弹簧与负刚度结构相结合的方法,在低频隔振上实现优良的性能。

正文


摘要:在低频干扰的环境中隔振,需要满足隔振系统的固有频率足够小,这在工艺和弹性元件选择上都有一定的困难。此处提供一种通

过刚性弹簧与负刚度结构相结合的方法,在低频隔振上实现优良的性能。


一、刚度

刚度是一个比较宽泛的概念,表示的意思类似于胡克定律中的劲度系数k,

F = -k*x

k越大,表示引起形变x所需要的力F越大,x与F的方向相反,这里的k就是弹簧的刚度。

在隔振的应用中,刚度通常是指抵抗形变的能力,表现为力与位移的斜率,即比例系数,刚度越大表示越难发生形变。

k = df/dx

刚度的大小与材料,几何形状,具体截面都有关系。


二、负刚度

由于刚度为力与位移的斜率,如果位移越大,所需要的力越大,这时为正刚度,而如果位移越大,需要的力越小,这时为负刚度。负刚

度可以通过某种方法和结构实现,比如压杆失衡。

 

如果一根杆在两端施以轴向向心推力,且杆发生了弯曲,在2状态时的弯矩要大于1状态时的弯矩,杆更容易发生进一步弯曲变形,所

需要的力F也更小,这时表现为负刚度。

结构在收到冲击时的稳定性,多数情况下取决于结构的负刚度阶段下的变形能力和残余载荷能力。


三、利用负刚度隔振

使用正刚度设计结构作为隔振,在激振频率等于固有频率的时候,往往会发生激振,使震动传递效率产生一个峰值。常规结构通过阻尼

来降低激振峰值,但是同时又会大幅降低隔振效果。


如图λ为激振频率与固有频率的比值,ξ为粘性阻尼系数与临界阻尼系数的比值。

而我们采用负刚度隔振的结构如图:


在垂直方向,将具有正刚度的弹簧,与具有负刚度的结构结合。

 

在水平方向,通过束柱串联垂直方向运动的隔离器提供水平方向运动的隔离,载物台的称重竖直作用与柱体,在发生水平位移时弹性力

提供的正刚度与台面重力作用下的负刚度结合。


整体结构可以获得很低的横向和纵向固有频率和很高的内部结构频率,挡支持的重量W时,隔离器整体的刚度可以趋近于零。


四、应用

低刚度意味着结构有很低的共振频率,隔振频率可以从很低开始。

 

如图为气浮隔振与上述负刚度结构隔振效果的对比。

其优异的隔振效果广泛应用于,适用于所有需要进行高效隔振的实验平台,目前为止,已应广泛用在包括纳米技术、生物科学、半导

体、材料研究、航天器零重力模拟以及高端音频等领域。


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