水平方向准零刚度隔振器

1.本发明涉及减振装置技术领域，尤其涉及水平方向准零刚度隔振器。

背景技术：

2.准零刚度隔振器通常通过使用负刚度结构与正刚度结构并联，在平衡位置实现零刚度，因此整体结构的固有频率接近零频，从而实现低频、超低频隔振。高精度航天器、精密仪器等设备都需要隔离来自外界水平方向不同频率的振动。此外，隔振设备的阻尼应当较低，不影响被测结构的阻尼特性。
3.现有的隔振器水平全周方向很难实现零频隔振，承载范围难以调节，附加阻尼较大，无法满足高精度设备水平隔振的要求。
4.例如，中国专利文献cn 111237372 a公开了一种可隔离大振幅低频震动的倒摆式准零刚度隔振器，其通过相对于底板前后摆动的倒摆及位于倒摆前方和后方的底板上安装的复位机构实现隔振，该文献公开的倒立安装的倒摆，其竖直位置为平衡位置，受到激励时倒摆偏离平衡位置，由于其重力的作用产生负刚度；倒摆前后两侧均安装有复位机构，复位机构中的扭簧经复位板为倒摆提供回复到平衡位置的正刚度作用力。

技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明公开了水平方向准零刚度隔振器，可以实现对载荷水平全周方向的零频隔振，承载范围能够调节，附加阻尼较小，满足高精度设备的水平隔振要求。
6.本发明是通过以下技术方案实现的发明目的，一种水平方向准零刚度隔振器，所述水平方向为与载荷的重力方向垂直的方向，包含：
7.倒摆，包含摆动端与固定端，所述摆动端与承载台以球铰连接，所述固定端与固定台以球铰连接；
8.支撑杆，与所述固定台固定连接，至少三个所述支撑杆以所述倒摆为轴线呈中心对称分布，周向相邻的两根所述支撑杆之间设第一连接梁，每根所述第一连接梁中部与所述倒摆之间均设置第二连接梁；
9.其中，所述第二连接梁与所述倒摆的连接点将所述倒摆分为长度为l1和l2的两段，根据载荷的大小调节l1与l2的比例。
10.在一种实施方式中，所述支撑杆的轴线方向与所述倒摆的轴线方向平行；且所述第一连接梁和第二连接梁与所述支撑杆的轴线垂直。
11.在一种实施方式中，所述第二连接梁与所述第一连接梁垂直。
12.在一种优选的实施方式中，所述倒摆包含轴线重合且首尾连接的第一段和第二段，其中：
13.所述第一段，包含第一首端和第一尾端，所述第一首端作为所述倒摆的摆动端、与承载台以球铰连接，所述第一尾端与所述倒摆的第二段连接；
14.所述第二段，包含第二首端和第二尾端，所述第一首端与所述倒摆的第一段连接，所述第二尾端作为所述倒摆的固定端、与第固定台以球铰连接。
15.在一种优选的实施方式中，倒摆的第一段与第二段通过连接件连接，所述第二段与所述连接件固定连接，所述第一段与所述连接件通过螺纹连接，通过改变所述螺纹连接的连接长度改变所述第二段的首端与所述第一段的首端之间的距离；
16.其中，所述第二段的长度为所述l2，所述第二段的首端与所述第一段的首端之间的距离为所述l1。
17.在一种优选的实施方式中，所述第二连接梁通过所述连接件与所述倒摆连接。
18.在一种优选的实施方式中，所述连接件包含若干翅片，若干所述翅片相对所述第二段的轴线中心对称设置，所述翅片上设置轴线为水平方向的通孔，所述通孔用于与所述第二连接梁连接。
19.在一种实施方式中，所述支撑杆为4个。
20.在一种实施方式中，所述第一连接梁的长度是所述第二连接梁的长度的二倍，所述第二连接梁连接在所述第一连接梁的中点。
21.在一种实施方式中，根据确定所述l1与l2的比例；
22.其中，e为第一连接梁的杨氏模量，i为第一连接梁绕竖直方向的惯性矩，l为第二连接梁的长度，m为载荷的质量，l＝l1+l2。
23.本发明所公开的水平方向准零刚度隔振器，所述水平方向为与载荷的重力方向垂直的方向，所述水平方向准零刚度隔振器包含：倒摆，包含摆动端与固定端，所述摆动端与承载台以球铰连接，所述固定端与固定台以球铰连接；承载台用于承载仪器，固定台与地基或飞行器、潜水器的机体连接。支撑杆，与所述固定台固定连接，至少三个所述支撑杆以所述倒摆为轴线呈中心对称分布，周向相邻的两根所述支撑杆之间设第一连接梁，每根所述第一连接梁中部与所述倒摆之间均设置第二连接梁。倒摆提供负刚度、至少三组第一连接梁和第二连接梁构成的梁组提供正刚度，在满足时，得到水平向准零刚度隔振器，其中，e为第一连接梁的杨氏模量，i为第一连接梁绕竖直方向的惯性矩，l为第二连接梁的长度，m为载荷的质量，l为倒摆的长度。通过第一连接梁和第二连接梁构成的梁组实现对载荷水平全周方向的零频隔振，附加阻尼较小，满足高精度设备的水平隔振要求。
24.进一步地，所述第二连接梁与所述倒摆的连接点将所述倒摆分为长度为l1和l2的两段，根据载荷的大小调节l1与l2的比例，实现承载范围能够调节。
附图说明
25.图1为本发明提供的水平方向准零刚度隔振器的整体结构示意图；
26.图2为本发明提供的水平方向准零刚度隔振器的另一视角的整体结构示意图；
27.图3为本发明提供的水平方向准零刚度隔振器的部分结构示意图；
28.图4为本发明提供的水平方向准零刚度隔振器的另一部分结构示意图；
29.图5、图6和图7为本发明提供的水平方向准零刚度隔振器的力学分析图。
具体实施方式
30.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
31.实施例1
32.高精度航天器、精密仪器等设备都需要隔离来自外界水平方向不同频率的振动。本实施例提供的水平方向准零刚度隔振器能够隔离与载荷的重力方向垂直的方向的振动，保证高精度航天器、精密仪器或潜水器等重要仪器或结构的工作环境稳定。
33.其中所述水平方向指载荷的重力方向垂直的方向。
34.具体地，参照图1和图2，所述一种水平方向准零刚度隔振器，包含：
35.倒摆1，包含摆动端与固定端，所述摆动端与承载台2以球铰连接，所述固定端与固定台3以球铰连接；
36.支撑杆4，与固定台3通过角片固定连接，至少三个支撑杆4以倒摆1为轴线呈中心对称分布，周向相邻的两根支撑杆4之间设第一连接梁5，每根第一连接梁5中部与倒摆1之间均设置第二连接梁6；
37.其中，第二连接梁6与倒摆1的连接点将倒摆1分为长度为l1和l2的两段，根据载荷的大小调节l1与l2的比例。
38.本实施例提供的水平方向准零刚度隔振器的承载台2用于承载仪器，固定台3与地基或飞行器、潜水器的机体连接。具体地，结合图2，在承载台2上设置若干个载荷连接孔201，用于与需要隔振的仪器或结构连接；固定台3上设置与地基或飞行器、潜水器的机体连接的地脚螺栓孔。
39.本实施例中所述摆动端与承载台2以球铰连接，所述固定端与固定台3以球铰连接；所述球铰连接优选通过球头杆端关节轴承实现。再结合图4，具体地，在承载台2的下表面设置上凹槽202，上凹槽202内连接安置球头杆端关节轴承的球窝结构701，球头杆端关节轴承的球杆体702与倒摆1的所述摆动端连接；同理，在固定台3的上表面设置下凹槽301，下凹槽301内连接安置球头杆端关节轴承的球窝结构701，球头杆端关节轴承的球杆体702与倒摆1的所述固定端连接。
40.本实施例提供的所述水平方向准零刚度隔振器中，倒摆1提供负刚度、至少三组第一连接梁5和第二连接梁6构成的梁组提供正刚度，在满足时，得到水平向准零刚度隔振器，其中，e为第一连接梁的杨氏模量，i为第一连接梁绕竖直方向的惯性矩，l为第二连接梁的长度，m为载荷的质量，l为倒摆的长度。
41.通过第一连接梁和第二连接梁构成的梁组实现对载荷水平全周方向的零频隔振，附加阻尼较小，满足高精度设备的水平隔振要求。
42.进一步地，本实施例中所述第二连接梁与所述倒摆的连接点将倒摆1分为长度为l1和l2的两段，且能够根据载荷的大小调节l1与l2的比例，从而实现承载范围能够调节。
43.下面给出一种倒摆1的结构实施方式，以实现上述根据载荷的大小调节l1与l2的比例。在图1和图2的基础上，结合图3，倒摆1包含轴线重合且首尾连接的第一段101和第二段102。其中，
44.第一段101，包含第一首端和第一尾端，所述第一首端作为倒摆1的摆动端、与承载台2以球铰连接，所述第一尾端与倒摆1的第二段102连接；
45.第二段102，包含第二首端和第二尾端，所述第一首端与倒摆1的第一段连接，所述第二尾端作为倒摆1的固定端、与第固定台3以球铰连接。
46.本实施例还提供了一种首尾连接的第一段101和第二段102之间连接结构的具体实施方式：倒摆1的第一段101与第二段102通过连接件103连接，第二段102与连接件103固定连接，第一段101与连接件103通过螺纹连接，通过改变所述螺纹连接的连接长度改变第二段102的首端与第一段101的首端之间的距离。在本实施例中，第二段102的长度为所述l2，第二段102的首端与第一段101的首端之间的距离为所述l1，那么通过调节l1即可实现调节l1与l2的比例的目的，从而适应不同重量的仪器或结构，实现对他们的准零刚度隔振。
47.上述具体实施方式只是本技术提供的一种能够调节l1与l2的比例的倒摆的优选地结构形式，在其他实施例中，可以通过调节第二段102的长度改变l1与l2的比例，或者通过调节第一段101和第二段102的长度改变l1与l2的比例。
48.在优选的结构形式中，第二连接梁6通过连接件103与倒摆1连接，从而简化水平方向准零刚度隔振器的整体结构。在这样的发明构思下，本技术提供一种连接件103的具体实施方式：
49.连接件103包含若干翅片1031，若干所述翅片1031相对第二段102的轴线中心对称设置，翅片1031上设置轴线为水平方向的通孔1033，通孔1033用于与第二连接梁6连接。
50.在结构更加简化的实施方式中，连接件103的上端设置内螺纹孔1032，内螺纹孔1032与第一段101的第一尾端上的外螺纹构成螺纹连接。
51.在本技术的说明书附图中给出设置了4组由第一连接梁5和第二连接梁6构成的梁组的水平方向准零刚度隔振器的结构形式，实际上，设置3组所述梁组即可实现对倒摆1的全周向包围，从而实现对水平方向振动的全周隔振。若设置5组、6组或者更多组的所述梁组，也可实现对各水平方向的隔振效果。
52.在一种实施方式中，支撑杆4的轴线方向与倒摆1的轴线方向平行；且第一连接梁5和第二连接梁6与支撑杆4的轴线垂直。第二连接梁6与第一连接梁5垂直。所述支撑杆为4个。第一连接梁5的长度是第二连接梁6的长度的二倍，第二连接梁6连接在第一连接梁5的中点。在上述结构参数下，分析本实施例提供的水平方向隔振器的力学方程，如下：
53.参照图5所示的水平方向准零刚度隔振器的力学分析图。
54.水平方向准零刚度构造，其原理如图5所示：第一段101和第二段102组成的刚性的倒摆1提供负刚度、4个所述梁组提供正刚度。第一段101和第二段102的总长为l，倒摆1的摆动端端和固定端各有一球铰，可以使倒摆1在水平方向自由转动，形成倒立摆。第二连接梁6的梁长l，第一连接梁5的梁长l0。需要隔振的仪器或结构的质量为m，即倒摆1受到竖向重力mg，引起振动的水平外力为f。
55.对4个所述梁组进行受力分析：
56.由于对称性，如图6中所示取其中两相邻的所述梁组进行分析。当受到x方向的扰动位移xb，结构的受力可以分为2部分进行分析：
57.part1可以视为一个跨中受轴向xb扰动的两端固支梁，考虑part1的弯曲应变和轴向应变，其受力为
[0058][0059]
part2可以看成h型梁的一半，根据瑞利-里兹法可以推导出受到横向xb扰动下h型梁的包含3次项的跨中力位移曲线：
[0060]fh梁
＝2(k1xb+k3x
b3
)
[0061]
式中，
[0062][0063][0064]
其中，e为第一连接梁的杨氏模量，i为第一连接梁绕竖直方向(即图5和图6中的z轴)的惯性矩，m为载荷的质量，a为第一连接梁的截面积，h为第一连接梁的厚度。
[0065]
因此，part2的受力为
[0066][0067]
其中，l0＝2l，即l
*
＝2，带入后可以得到相邻的2个梁组在xb扰动下的受力fb的表达式为
[0068][0069]
完整梁组固定在图6和图7中的b位置，考虑到倒摆上不同点的位移关系如图7所示，设倒摆的总长为l＝l1+l2，则有xb＝αx，fa＝αfb，因此可以得到4个梁组对顶端a点的受力f
a-位移x曲线：
[0070][0071]
第一段杆和第二段杆组成的倒立摆系统是一个典型的水平方向负刚度系统，假设承载的被隔振物体质量为m，其受力-扰动位移间的关系表达式为：
[0072][0073]
倒摆和梁组的整体组合结构，受力-扰动位移间的关系表达式为：
[0074][0075]
当一次项系数满足：
[0076][0077]
即可得到水平方向准零刚度隔振器。根据该式可以得到，当改变倒摆的第一和第
二段杆长从而改变比例系数α可以对不同承载质量的物体均实现水平方向准零刚度隔振，隔振器也因此具有一定的承载范围可调节性。
[0078]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0079]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0080]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0081]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0082]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：

1.一种水平方向准零刚度隔振器，所述水平方向为与载荷的重力方向垂直的方向，其特征在于，包含：倒摆，包含摆动端与固定端，所述摆动端与承载台以球铰连接，所述固定端与固定台以球铰连接；支撑杆，与所述固定台固定连接，至少三个所述支撑杆以所述倒摆为轴线呈中心对称分布，周向相邻的两根所述支撑杆之间设第一连接梁，每根所述第一连接梁中部与所述倒摆之间均设置第二连接梁；其中，所述第二连接梁与所述倒摆的连接点将所述倒摆分为长度为l1和l2的两段，根据载荷的大小调节l1与l2的比例。2.根据权利要求1所述的水平方向准零刚度隔振器，其特征在于，所述支撑杆的轴线方向与所述倒摆的轴线方向平行；且所述第一连接梁和第二连接梁与所述支撑杆的轴线垂直。3.根据权利要求2所述的水平方向准零刚度隔振器，其特征在于，所述第二连接梁与所述第一连接梁垂直。4.根据权利要求1至3任一项所述的水平方向准零刚度隔振器，其特征在于，所述倒摆包含轴线重合且首尾连接的第一段和第二段，其中：所述第一段，包含第一首端和第一尾端，所述第一首端作为所述倒摆的摆动端、与承载台以球铰连接，所述第一尾端与所述倒摆的第二段连接；所述第二段，包含第二首端和第二尾端，所述第一首端与所述倒摆的第一段连接，所述第二尾端作为所述倒摆的固定端、与第固定台以球铰连接。5.根据权利要求4所述的水平方向准零刚度隔振器，其特征在于，倒摆的第一段与第二段通过连接件连接，所述第二段与所述连接件固定连接，所述第一段与所述连接件通过螺纹连接，通过改变所述螺纹连接的连接长度改变所述第二段的首端与所述第一段的首端之间的距离；其中，所述第二段的长度为所述l2，所述第二段的首端与所述第一段的首端之间的距离为所述l1。6.根据权利要求5所述的水平方向准零刚度隔振器，其特征在于，所述第二连接梁通过所述连接件与所述倒摆连接。7.根据权利要求6所述的水平方向准零刚度隔振器，其特征在于，所述连接件包含若干翅片，若干所述翅片相对所述第二段的轴线中心对称设置，所述翅片上设置轴线为水平方向的通孔，所述通孔用于与所述第二连接梁连接。8.根据权利要求3所述的水平方向准零刚度隔振器，其特征在于，所述支撑杆为4个。9.根据权利要求8所述的水平方向准零刚度隔振器，其特征在于，所述第一连接梁的长度是所述第二连接梁的长度的二倍，所述第二连接梁连接在所述第一连接梁的中点。10.根据权利要求9所述的水平方向准零刚度隔振器，其特征在于，根据确定所述l1与l2的比例；其中，e为第一连接梁的杨氏模量，i为第一连接梁绕竖直方向的惯性矩，l为第二连接梁的长度，m为载荷的质量，l＝l1+l2。

技术总结

本发明公开了水平方向准零刚度隔振器，包含：倒摆，包含摆动端与固定端，所述摆动端与承载台以球铰连接，所述固定端与固定台以球铰连接；承载台用于承载仪器，固定台与地基或飞行器、潜水器的机体连接。支撑杆，与所述固定台固定连接，至少三个所述支撑杆以所述倒摆为轴线呈中心对称分布，周向相邻的两根所述支撑杆之间设第一连接梁，每根所述第一连接梁中部与所述倒摆之间均设置第二连接梁。倒摆提供负刚度、至少三组第一连接梁和第二连接梁构成的梁组提供正刚度。通过第一连接梁和第二连接梁构成的梁组实现对载荷水平全周方向的零频隔振，附加阻尼较小，满足高精度设备的水平隔振要求。求。求。