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复合负刚度结构设计及力学性能试验研究

复合负刚度结构设计及力学性能试验研究

作者：赵蒙莉吉林大学

学位级别：硕士

近年来,负刚度结构广泛应用于振动控制、能量吸收、冲击缓冲、运动控制等领域,因其独特的性能和应用前景备受关注。但针对日益复杂的服役工况,现有的仅能在压缩载荷下或者单一工况下具有负刚度特性的结构已经不能满足越来越多的应用需求... 详细信息

近年来,负刚度结构广泛应用于振动控制、能量吸收、冲击缓冲、运动控制等领域,因其独特的性能和应用前景备受关注。但针对日益复杂的服役工况,现有的仅能在压缩载荷下或者单一工况下具有负刚度特性的结构已经不能满足越来越多的应用需求,这直接阻碍了它的应用。为解决上述问题,本文在现有研究的基础上,提出了三种复合负刚度结构,并通过理论分析、仿真分析、优化设计、试验分析等方式,对其进行了性能研究。具体研究内容如下:首先,基于相关曲梁设计理论,提出了三种复合负刚度结构,分别为双向拉压负刚度结构、双向扭转负刚度结构和双向拉压-扭转负刚度结构,并对上述三种复合负刚度结构进行了理论研究与优化设计。研究结果表明,双向拉压负刚度结构具有拉伸、压缩两个方向的负刚度特性,双向扭转负刚度结构具有主动扭转和被动扭转两个方向的负刚度特性。双向拉压-扭转负刚度结构同时具有拉伸和扭转两个载荷方向的负刚度特性,能够实现复合工况下的负刚度效应。然后,优选结构母材材料并实测获取其力学性能参数,建立复合负刚度结构有限元分析模型,采用有限元计算分析方法,对三种复合负刚度结构进行复杂载荷条件下力学分析,获取关键结构参数与复合负刚度结构力学性能间的相关性。研究曲梁个数差异对双向拉压-扭转负刚度结构性能的影响规律,为双向拉压-扭转负刚度结构的关键参数选取提供参考依据。最后,采用增材制造技术完成三种复合负刚度结构的加工制作,对三种复合负刚度结构进行复杂载荷加载试验研究,即对双向拉压负刚度结构进行拉伸、压缩两个方向的测试试验,对双向扭转负刚度结构进行两个扭转方向的测试试验,对双向拉压-扭转负刚度结构进行拉伸和扭转两个载荷方向的测试试验。将试验结果与仿真结果进行对比分析,结果表明,三种复合负刚度结构均具有稳定的能量吸收功能,试验曲线与仿真曲线基本一致。对于三种复合负刚度结构,载荷阈值均随曲梁厚度的增加而增加,也随曲梁高度的增加而增加。在双向拉压负刚度结构的试验曲线中,受压缩载荷时的载荷阈值大于受拉伸载荷时的载荷阈值。对三种复合负刚度结构进行循环加载卸载试验,经过十次循环加载卸载试验,三种复合负刚度结构的载荷阈值变化很小。综上,三种复合负刚度结构均具备复杂载荷下的负刚度特性与可重用性。本文的研究工作丰富了负刚度结构,弥补了现有负刚度结构针对复合载荷工况的设计空白,为复杂服役工况下负刚度结构的设计与应用提供了理论与试验支撑。

关键词：负刚度结构曲梁有限元分析复杂载荷加载力学性能测试

基于壳体曲面负刚度结构的巷道O型棚支架吸能防冲研究

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基于壳体曲面负刚度结构的巷道O型棚支架吸能防冲研究

作者：吴佳成辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

冲击地压灾害的防治研究是煤炭安全开采的重要工程和科学问题,巷道吸能支护是防御冲击地压的有效手段,传统支护的吸能构件不具备可重复吸能特性,由此提出了一种壳体曲面负刚度结构,该壳体结构与可伸缩U型支架组合可形成具备重复吸能防... 详细信息

冲击地压灾害的防治研究是煤炭安全开采的重要工程和科学问题,巷道吸能支护是防御冲击地压的有效手段,传统支护的吸能构件不具备可重复吸能特性,由此提出了一种壳体曲面负刚度结构,该壳体结构与可伸缩U型支架组合可形成具备重复吸能防冲特性的O型棚支架。本文采用理论分析、数值模拟、试验研究相结合的方法进行了分析。首先,对提出的壳体结构变形特征、吸能性、循环拉压特性进行了分析,结果表明壳体结构具备负刚度和双稳态特性,且双稳态是可调控的。与传统负刚度结构对比发现,壳体结构变形稳定性较好,吸能性更优。循环拉压试验表明壳体结构在3.75 mm(最大行程的一半)和7.5 mm(最大行程)拉压位移时分别经历了9次和4次重复拉压使用,且破坏前压缩力、拉伸力出现较明显的突降,同时,相比于7.5 mm循环拉压位移,在3.75 mm位移下结构总吸能量提高21%。该壳体结构具备一定的可重复吸能特性。其次,对多胞壳体结构的吸能性、冲击响应特性、偏载特性进行了分析,结果表明串联组合吸能量相比于并联组合和串并联组合分别多吸收了5.3%、11.1%的能量,同时串联组合的应变率变化平缓且减震及冲击隔离综合性能较优。对串联组合的曲面厚度进行梯度化处理,发现梯度的间隔越大,吸能量越多,有助于提高结构的缓冲性能。同时对梯度处理下不同的胞体排列顺序进行了分析,得到薄-厚-薄-厚的排列方式下结构的防冲性能较优。偏载分析表明结构的总高度越高,结构越容易出现翻转失稳的现象,对多胞结构增设导向套可一定程度缓解此类问题。最后,基于理论分析,含吸能结构的吸能支护能有效耗散冲击能量,对顶板和支护体的动力响应进行抑制,维持围岩支护系统稳定。由此在可伸缩U型支架的基础上增设壳体吸能结构形成巷道O型棚支架,结果表明该支架的承载力得到大幅提高,其承载力的最大值、最小值、平均值分别是可伸缩U型支架的3倍、7.6倍、5.7倍。同时在本文给出的壳体结构下该O型棚支架对围岩扰动可实现至少3个周期的重复吸能,并且在不同的冲击能量、速度、位置下,在支架关键部位的变形和对围岩的控制方面均优于传统可伸缩U型支架。两种支架受冲击时存在共性:在45°受冲时两种支架内能较大,90°受冲时两种支架的动能、连接卡缆内能、围岩收缩位移较大。该论文有图93幅,表11个,参考文献80篇。

关键词：冲击地压巷道支护吸能防冲重复吸能负刚度结构

基于负刚度结构的驾驶室座椅悬架系统设计与评价

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Journal of Southeast University(English Edition) 2021年第2期37卷 153-163页

作者：廖昕张宁邢海军张婉洁石家庄铁道大学机械工程学院石家庄050043 石家庄铁道大学交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室石家庄050043 东南大学机械工程学院南京211189

为了改善驾驶室座椅的隔振性能,提出了基于负刚度结构的工程机械驾驶室座椅悬架系统优化模型.通过设计座椅负刚度悬架结构(NSS),建立了负刚度非线性动力学方程,基于MATLAB对悬架系统的不同参数及其对动刚度的影响进行了分析,得到悬架系... 详细信息

为了改善驾驶室座椅的隔振性能,提出了基于负刚度结构的工程机械驾驶室座椅悬架系统优化模型.通过设计座椅负刚度悬架结构(NSS),建立了负刚度非线性动力学方程,基于MATLAB对悬架系统的不同参数及其对动刚度的影响进行了分析,得到悬架系统最为理想的配置参数范围;同时提出了NSS优化模型,采用不同方法对振动传递特性进行了仿真分析.研究结果表明:优化后的座椅悬架系统的位移幅值与加速度幅值均明显减小,座椅垂直振动方向的四次功率振动剂量值与加权加速度均方根值分别下降了86%和87%,座椅有效振幅传递率和悬架系统振动传递率均下降,传递给驾驶员的振动的峰值频率均不在容易引起人体不适的关键频率值附近.这表明座椅悬架系统的设计对驾驶员受振后的身体健康状况没有任何影响,NSS悬架系统具有良好的隔振性能,提高了驾驶员的乘坐舒适度.

关键词：工程机械负刚度结构座椅悬架系统动力学特性乘坐舒适性

基于负刚度结构的低频速度传感器的设计与分析

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传感技术学报 2020年第6期33卷 804-814页

作者：周振华黄浩杜荣华长沙理工大学汽车与机械工程学院长沙410114 机械装备高性能智能制造关键技术湖南省重点实验室长沙410114 工程车辆轻量化与可靠性技术湖南省高校重点实验室长沙410114

实现低频速度传感器的低频扩展在精密减振领域有着重要的意义,本研究提出基于负刚度结构的低频速度传感器,负刚度结构由两组电磁弹簧组成,采用正负刚度并联原理以实现传感器的低频扩展。首先采用安培电流模型建立电磁弹簧数学模型,分析... 详细信息

实现低频速度传感器的低频扩展在精密减振领域有着重要的意义,本研究提出基于负刚度结构的低频速度传感器,负刚度结构由两组电磁弹簧组成,采用正负刚度并联原理以实现传感器的低频扩展。首先采用安培电流模型建立电磁弹簧数学模型,分析参数对电磁负刚度特性的影响规律并提出负刚度结构优化策略,另外通过调整负刚度结构中线圈电流大小实现传感器固有频率可调。通过数值仿真分析负刚度的非线性影响以及在不同激励幅值和激励频率下传感器的低频响应特性,结果表明负刚度非线性影响可以忽略;当负刚度结构通入电流为0.9 A时,传感器固有频率为4 Hz,而在通入电流为1 A时,传感器固有频率为1 Hz,有效地降低速度传感器的测量下限。

关键词：低频速度传感器正负刚度并联数值仿真负刚度结构固有频率可调

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基于负刚度结构的直升机座椅特性研究

基于主动电磁弹簧负刚度结构的速度传感器低频拓展方法研究

中国科技纵横 2023年第14期 80-83页

作者：王贺强张树桢中国直升机设计研究所江西景德镇 333001

设计一种具有准零刚度的非线性悬挂座椅,利用优化方法确定座椅的参数取值,并建立模型研究相同激励下线性悬挂及非线性悬挂系统的人体动力学响应.研究结果表明,该座椅具有准零刚度特性,人体各部位的加速度均方根值下降了50%左右,具有较... 详细信息

设计一种具有准零刚度的非线性悬挂座椅,利用优化方法确定座椅的参数取值,并建立模型研究相同激励下线性悬挂及非线性悬挂系统的人体动力学响应.研究结果表明,该座椅具有准零刚度特性,人体各部位的加速度均方根值下降了50%左右,具有较好的隔振效果.

关键词：隔振非线性悬挂负刚度结构动力学特性

来源：博看期刊评论

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基于主动电磁弹簧负刚度结构的速度传感器低频拓展方法研究

作者：黄浩长沙理工大学

学位级别：硕士

随着现代精密加工和制造工艺的发展,加工设备对振动测量的要求更加严苛,因此对于这类精密加工过程中的低频微幅振动进行测量显得十分重要;另外在地震超前预测和航空航天领域中,对低频振动信号的测量也是不可忽视的重要环节。而目前用于... 详细信息

随着现代精密加工和制造工艺的发展,加工设备对振动测量的要求更加严苛,因此对于这类精密加工过程中的低频微幅振动进行测量显得十分重要;另外在地震超前预测和航空航天领域中,对低频振动信号的测量也是不可忽视的重要环节。而目前用于测量低频振动信号的低频速度传感器的受限于固有频率,从而测量下限频率受限导致低频信号测量失真,而目前用于传感器低频拓展的方法仍存在着缺陷和不足,因此提出一种低成本,有效的速度传感器低频拓展方法是目前低频测量和振动研究领域迫切需要的,其具有极大的实际意义和应用价值。本文从传感器的结构入手,提出在传感器结构中引入负刚度结构,通过降低传感器的结构刚度使得传感器的固有频率降低,进而实现传感器低频拓展的目的,最后根据此方法搭建了传感器低频拓展方法实验验证平台加以验证。首先以主动电磁弹簧负刚度结构为对象对其建模分析,重点讨论气隙位置、气隙宽度、高度差和线圈激励电流等参数对负刚度特性的影响规律;然后根据参数的影响规律提出了一种由双层主动电磁弹簧结构组成的负刚度结构,通过对负刚度结构进行参数优化,使得负刚度结构所产生的负刚度为近似线性负刚度,达到传感器线性刚度的要求,同时搭建负刚度结构刚度特性实验平台验证负刚度结构的刚度特性;最后搭建了传感器低频拓展方法实验验证平台,设计基于主动电磁弹簧负刚度结构的低频拓展实验装置,验证装置的低频性能和通过引入负刚度结构来实现传感器低频拓展方法的可行性。实验结果表明:引入主动电磁弹簧负刚度结构可以有效地降低传感器的固有频率,实现低频拓展。将负刚度结构通电状态下与断电状态下实验装置进行对比,在断电状态下固有频率为8.63Hz,在负刚度结构中电流为0.9A时固有频率为4.25Hz,在负刚度结构中电流为1A时固有频率仅为3.58Hz;在低频性能测试实验中实验装置对于高于自身固有频率的振动信号保持稳定的灵敏度和良好的响应,表现出良好的低频性能。因此主动电磁弹簧负刚度结构的引入能够有效地实现传感器低频拓展,提高传感器的低频性能。

关键词：低频拓展低频速度传感器电磁弹簧负刚度结构固有频率

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新型负刚度吸能结构力学特性分析

力学学报 2021年第7期53卷 1940-1950页

作者：侯秀慧吕游周世奇朱志韦张凯邓子辰西北工业大学力学与土木建筑学院西安710129 复杂系统动力学与控制工业和信息化部重点实验室西安710072

负刚度结构作为一种具有广泛应用前景的力学超材料,在吸能、减振及降噪等领域呈现出显著的优势,但传统负刚度结构较低的比能吸收效率以及多稳态非自主回弹等特征,严重限制了其工程应用.为解决该问题,通过单胞构型设计,提出了一种新型可... 详细信息

负刚度结构作为一种具有广泛应用前景的力学超材料,在吸能、减振及降噪等领域呈现出显著的优势,但传统负刚度结构较低的比能吸收效率以及多稳态非自主回弹等特征,严重限制了其工程应用.为解决该问题,通过单胞构型设计,提出了一种新型可自主回弹的三维负刚度结构.该结构利用串联的负刚度单胞在加载-卸载过程中,曲梁胞元的自主反弹,实现结构循环加载和多次重复利用;通过凹槽深度设计抑制单胞多稳态的出现,并且通过调整侧壁厚度,控制曲梁屈曲模态的形式,从而增大负刚度临界载荷差值,实现吸能效率的显著提升.随后为实现在复杂载荷环境下的高吸能,对结构尺寸进行梯度设计,提出了一种梯度负刚度结构,利用有限元方法比较分析梯度负刚度结构与均匀负刚度结构在不同载荷作用下的吸能效果.研究结果表明,该梯度结构因微结构尺寸的不同,具有不同的负刚度临界载荷最大值,从而使其在不同的冲击载荷环境下,在实现自主回弹的基础上,均呈现出较好的吸能效率.该新型负刚度结构为振动控制和结构重组等工程应用提供了技术支持.

关键词：负刚度结构自主回弹多稳态多孔结构能量吸收

新型加固圆柱形负刚度超材料的力学性能研究与应用

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新型加固圆柱形负刚度超材料的力学性能研究与应用

作者：潘怡东南大学

学位级别：硕士

冲击是工程中常见的恶劣环境,随着航空航天技术的发展,精密仪器的数量也随之增加,所以降低冲击保证设备部件的可靠性和安全性有着重要意义。负刚度超材料具有负刚度、双稳态、可重复等特殊性能,在抗冲击吸能等领域有着广泛的应用前景。... 详细信息

冲击是工程中常见的恶劣环境,随着航空航天技术的发展,精密仪器的数量也随之增加,所以降低冲击保证设备部件的可靠性和安全性有着重要意义。负刚度超材料具有负刚度、双稳态、可重复等特殊性能,在抗冲击吸能等领域有着广泛的应用前景。负刚度超材料一般基于屈曲梁来实现,目前较多的研究集中于二维负刚度蜂窝结构和三维立方体负刚度结构,只有较少学者提出了圆柱形框架的负刚度结构,很多应用场景需要采用圆柱形的负刚度结构,并且当应用安装空间小时需要设计抗冲击和吸能水平更高的结构。本文在前人研究的基础上,为实现航天器非火工分离装置安装空间的充分利用以及圆柱形缓冲空间的应用需求,提出了一种加固圆柱形负刚度超材料,提高了抗冲击吸能水平以及刚度可调范围。本文还建立了理论、试验及仿真体系来评价和表征结构的性质,主要研究内容如下:(1)两种斜梁单元屈曲特性的研究。本文提出的负刚度结构由平面斜梁单元和圆柱面斜梁单元组成,对两种斜梁单元的负刚度、双稳态性能进行了理论解析。通过有限元仿真对获得解析公式进行验证,分析了高厚比、斜梁跨度、曲率等参数对斜梁单元力学性能的影响,发现主要影响参数为高厚比,为后文负刚度结构性能研究打下基础。(2)新型加固圆柱形负刚度结构的力学性能研究。主要从准静态压缩力位移曲线、吸能性能、抗冲击动力学性能三个方面对负刚度结构进行研究和评价。准静态和动态两种工况下的研究结果表明负刚度结构的力学性能不受应变速率的影响,动力学的加速度响应和准静态下的负刚度区力最大值之间存在线性关系。为了验证准静态仿真的可靠性,进行了3D打印和压缩试验。同时,利用吸能水平对负刚度结构进行评价时,为了获得更好的吸能性能,进行了基于Kriging代理模型的优化设计。(3)非火工星箭分离装置缓冲结构的应用与优化。将本文设计的加固圆柱形负刚度结构应用于非火工分离装置的圆柱形缓冲空间中,通过LS-DYNA建立显式动力学有限元模型并进行仿真,直接冲击的加速度峰值为269.3g,安装负刚度结构后下降到72.8g,下降约72.9%。为获得更好的缓冲效果,建立优化数学模型,对优化结构进行动力学仿真获得外壳加速度峰值为57.9g,较优化前降低了20.5%。本文的研究结果表明,新型加固圆柱形负刚度结构具有较好的抗冲击吸能性能,且在非火工分离装置中的应用具有较明显的效果,有望在更多领域得到广泛应用。

关键词：负刚度结构圆柱形斜梁单元力学性能优化设计抗冲击

多稳态/单稳态可调控结构设计与吸能机制研究

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多稳态/单稳态可调控结构设计与吸能机制研究

作者：陈保才重庆大学

学位级别：硕士

负刚度超材料分为多稳态型和单稳态型。多稳态型可以利用多稳态特性将外力功锁在结构中,有效避免二次伤害,但重复使用时需要外力才能重新恢复到初始形态。单稳态型可满足缓冲隔振、反复吸能等需求,但无法实现锁能。因此,研究一种多稳态... 详细信息

负刚度超材料分为多稳态型和单稳态型。多稳态型可以利用多稳态特性将外力功锁在结构中,有效避免二次伤害,但重复使用时需要外力才能重新恢复到初始形态。单稳态型可满足缓冲隔振、反复吸能等需求,但无法实现锁能。因此,研究一种多稳态/单稳态可调控兼具高性能的负刚度超材料结构,从而实现一个结构可同时拥有锁能与反复吸能两种模式是十分有必要的。本文提出了一种新型的负刚度超材料结构,可以实现多稳态/单稳态的调控,并从结构设计、参数影响以及吸能性能等方面展开深入研究。主要包括以下几个方面:首先,基于斜杆的双稳态原理,设计了一种可以实现多稳态/单稳态可调控的新型多功能负刚度超材料结构。采用FDM(熔融沉积成型)3D打印技术制备了一种由软、硬两种材料组成的锥形负刚度超材料结构。通过准静态压缩实验和有限元方法对结构多稳态/单稳态可调控功能进行了验证。然后,采用有限元模拟的方法,系统研究了几何参数对结构多稳态/单稳态可调控功能的影响。从斜杆倾角、长细比、偏距率以及结构承载力梯度等方面,确定了实现结构可调控功能的参数范围。最后,通过位移控制反复加载实验方法,研究了结构在锁能模式和反复吸能模式下的吸能性能,并采用自然时效的方法,研究了残余应力对结构吸能性能的影响。同时,通过对材料标准件的反复拉伸实验以及显微镜观察结构细观形貌变化的方法,揭示了结构承载力反常上升的机制。以此为基础,提出了一种通过位移加载调控微结构形貌,从而实现结构承载力大幅提升的强化方法。

关键词：多功能机械超材料负刚度结构可调控功能多稳态和单稳态