双箭头超材料准零刚度隔振器的设计与研究

作     者：顾晓新 

作者单位：石家庄铁道大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田瑞兰

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：准零刚度 负泊松比 低频隔振 负刚度 隔振试验 

摘      要：川藏铁路东起成都,西至拉萨,全线“六起六伏,起伏剧烈。在这种坏境下,高速运行的机车,间隙、摩擦、大变形等非线性因素引起的低频振动,给高速运行机车的安全性、乘坐舒适性等带来极大的挑战。但是,传统的隔振器无法同时具有较低的固有频率和较高的承载力,而高静刚度低动刚度的准零刚度隔振器静位移小且固有频率低,能有效的隔离低频振动。本文借鉴力学超材料结构中的负泊松比单胞结构的特性,构造负刚度系统。基于负刚度系统与正刚度系统,设计准零刚度隔振器。从理论结果和试验研究表明所设计准零刚度隔振器能有效解决低频隔振性能。具体包括以下几个方面:基于负泊松比结构,探讨了构建负刚度系统的可能性。明晰了经典内凹六边形的负泊松比与负刚度之间的内在联系。根据单胞结构负泊松比的计算结果,分析相关参数对负泊松比性能的影响,得出可利用负泊松比结构构建负刚度系统。进一步地,为了结构的稳定性,引入双箭头内凹六边形结构,设计了新型的准零刚度隔振器。分析了新型准零刚度隔振器的隔振效果与不同参数之间的关系,为构建所需隔振系统提供理论依据。基于双箭头内凹六边形负泊松比结构单胞结构,设计了一种准零刚度隔振系统,开展了隔振性能的研究。针对其振动控制方程,分析了准零刚度系统的静力特性和动力特性,探讨了某些参数对隔振系统隔振性能的影响。开展了参数最优化研究,得到了实现准零刚度的最佳参数。进一步地,构建了车-座椅-人模型,进一步验证准零刚度座椅相比经典的隔振座椅的隔振效果更加良好。根据设计的准零刚度隔振力学模型,加工得到了两种准零刚度隔振器的样机,开展试验研究。搭建了振动试验平台,开展了隔振性能试验研究。验证了参数对隔振器隔振效果影响的理论结果,得到了系统在简谐激励下的传递率。在相同的激励条件时,与传统线性隔振器和大量的非线性隔振器对比,结果表明,准零刚度隔振器比传统线性隔振器和大部分非线性隔振器具有更低的起始隔振频率,能比传统线性隔振器和大部分非线性隔振器更快的进入起始隔振区域。