[发明专利]一种具有零刚度特征的被动式悬浮隔振方法及装置

说明书

一种具有零刚度特征的被动式悬浮隔振方法及装置，涉及重力环境地面模拟、低频、超低频隔振等领域。本发明是针对航天工程对空间重力地面模拟实验提出越来越高的要求，以及现有低频、超低频隔振面临的技术难题而提出的。所述悬浮隔振装置利用几何非线性的负刚度特征与其几何参数的可调性，通过竖直弹性元件、滑轨、滑块、水平弹性元件、连杆与载荷连接，经参数配置实现在装置设计范围内具有精确的零固有频率的特征，为载荷提供与其所受重力方向共线、大小与其位移无关的恒力，在设计范围内作用在载荷的合力为定值，使载荷处于某特定重力环境下。实现载荷对振动环境的全频段免疫，实现超低频隔振、模态测试的零刚度悬挂与空间重力环境的地面模拟。

技术领域

本发明涉及一种具有零刚度特征的被动式悬浮隔振方法及装置，涉及重力环境地面模拟、低频、超低频(零频)隔振、模态测试等领域。

背景技术

实际工程对同时具有特定静支撑刚度和低(零)动态刚度的支撑(悬挂)系统存在大量需求，如空间重力环境模拟实验、高精度隔振平台以及大型柔性系统模态测试实验等。国际上零(微)重力地面模拟实验方法主要有水浮、气浮和悬吊等。水浮法虽然可以模拟空间零(微)重力环境，但航天员必须穿着航天服，其设备需进行防水处理，因而造价昂贵。气浮法只能实现二维平动及一维转动，不能满足空间零(微)重力环境的要求。悬吊法具有结构复杂、占地空间大以及设备与悬吊系统存在耦合振动，同样无法实现零(微)重力环境。

上述方法均可归结为一类本质为(其中为竖直方向加速度，为系统的固有频率，m与k分别为载荷质量与系统支撑刚度)的无量纲振动系统，上述工程需求实质上需要实现试件与基础环境的振动隔离，而传统方法仅当基础环境频率时才实现隔振，因此无论固有频率ω₀多么小，均难以完成空间重力环境的地面模拟实验、超低频(低至零频)隔振以及大型柔性系统模态测试实验。

为减小线性系统固有频率ω₀，近年来出现了一类准零刚度系统，其无量纲动力学方程可以归结为m与k分别为载荷质量与支撑刚度。该系统仅当基础环境频率时具有隔振性能，因而同样无法精确完成空间重力环境模拟、超低频(低至零频)隔振以及大型柔性系统的模态测试实验。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

针对航天工程对空间重力地面模拟实验提出越来越高的要求，以及现有低频、超低频隔振面临的技术难题：无法精确完成空间重力环境模拟、超低频(低至零频)隔振以及大型柔性系统的模态测试实验，进而基于几何非线性的负刚度特性与几何参数可调的特点，建立一类具有零刚度特征的被动式悬浮隔振方法，提出一类具有零刚度特征的被动式悬浮隔振装置。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种具有零刚度特征的被动式悬浮隔振方法，所述方法通过构造一类具有零固有频率满足的零刚度系统，基于该系统的低频、超低频(低至零频)的隔振性能，用以实现超低频隔振以及在任意重力环境下对某种特定重力环境的模拟；其中ε为一包括但不限于0的定值，为竖直方向加速度；

零刚度系统是通过对结构系统中的几何参数a、b和c的调节获得的。

一种基于上述方法的具有零刚度特征的被动式悬浮隔振装置，所述被动式悬浮隔振装置利用几何非线性的负刚度特征与其几何参数的可调性，通过竖直弹性元件、滑块、滑轨、水平弹性元件-连杆与载荷连接，经参数配置实现在其设计范围内具有精确的零固有频率的特征，为载荷提供与其所受重力方向共线、大小与其位移无关的恒力，以实现在设计范围内作用在载荷的合力为包括但不限于零的定值，进而使载荷处于某特定重力环境下，所述某特定重力环境下包括但不限于零重力悬浮状态。

进一步地，所述被动式悬浮隔振装置为双竖直滑轨长轴被动式零刚度悬浮装置，所述悬浮装置包括两个水平弹性元件、两个竖直滑轨、质量块、水平滑轨、两个连杆、两个竖直滑块、两个水平滑块、竖直弹性元件和竖直导向杆；