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准零刚度隔振器：特性剖析与实验探究

一、引言

1.1研究背景与意义

振动作为一种极为普遍的物理现象，广泛存在于人们的日常生活与各类工程领域中。在日常生活里，交通工具的运行、家用电器的运转都会产生振动。在工业生产中，机械设备的运转、工程施工的操作等也会引发振动。适度的振动有时能够被加以利用，如振动筛分设备、振动按摩器材等，为生产生活带来便利。然而，大多数情况下，振动往往会带来诸多危害。

从对人体健康的影响来看，长期暴露在振动环境中，会对人体的多个系统造成损害。在骨骼肌肉系统方面，可能引发肌肉疲劳、关节疼痛、腱鞘炎等问题，严重时甚至会导致骨骼病变，如振动白指病等。神经系统也容易受到影响，使人出现头晕、眩晕、失眠、神经炎、神经衰弱等症状。振动还会干扰人体的血液循环系统，导致血管痉挛、血液黏稠度增加，进而增加心脏负荷，引发高血压和心脏病等循环系统疾病。消化系统同样难以幸免，可能出现胃肠功能紊乱、食欲减退、胃酸过多、消化不良、溃疡等问题。此外，长期处于振动环境还会对人的心理健康产生负面影响，使人感到疲劳、焦虑、情绪低落等。

振动对机械设备和结构的正常运行与使用寿命也存在严重威胁。它会导致机械零部件的磨损加剧、松动甚至损坏，从而降低设备的精度和性能，增加设备的故障率和维修成本。在一些高精度的仪器设备中，微小的振动都可能导致测量结果出现偏差，影响实验的准确性和可靠性。对于建筑物等大型结构，强烈的振动可能引发结构的共振，使结构的应力分布发生改变，严重时甚至会导致结构的坍塌，造成巨大的经济损失和人员伤亡。

在隔振领域，低频隔振一直是一个极具挑战性的难题。根据线性隔振理论，只有当激励频率大于\sqrt{2}倍固有频率时，系统才会产生隔振效果。在实际应用中，隔振系统中隔振器的压缩量，也就是平衡位置静位移，会受到安装空间的限制以及侧向稳定性需求的约束。为了提高承载能力，往往需要隔振器具有较高的刚度，然而高刚度又会不可避免地导致较高的固有频率。这就使得高承载能力和低固有频率之间形成了难以调和的矛盾，成为了被动隔振技术发展的瓶颈。而低频隔振，尤其是重型设备的低频隔振，始终是被动隔振领域亟待突破的关键问题。

准零刚度隔振器作为一种具有高静低动刚度特性的隔振器，为解决低频隔振难题提供了新的思路和途径。它在零负载时，具有较大的静刚度，能够确保高承载能力和较小的静位移，从而满足设备对承载能力和安装空间的要求；当负载压缩隔振器至静平衡位置时，隔振器的动刚度会大幅降低，甚至接近于零，这使得设备在静平衡位置振动时，能够有效减少外界振动的传递，极大地提高了低频隔振的效果。因此，准零刚度隔振器在航空航天、精密仪器、医疗设备等对隔振要求极高的领域展现出了巨大的应用潜力。对其进行深入的特性分析及实验研究，不仅能够丰富和完善隔振理论，还能够为工程实际中的振动控制提供更加有效的技术手段和解决方案，具有重要的理论意义和工程应用价值。

1.2国内外研究现状

国外对准零刚度隔振器的研究起步较早，在理论研究方面取得了一系列重要成果。学者Hao等人深入研究了准零刚度隔振器的隔振特性和非线性动力学现象，并提出了一种分段阻尼控制方法，为优化隔振器性能提供了理论支持。ValeevAnvar等人则通过设计制作单构件准零刚度隔振器，并对其进行实验研究，深入分析了该隔振器的隔振性能，为实际应用提供了实践依据。

在国内，相关研究也在不断推进。徐道临等提出了一种控制方法，通过控制阻尼大小切换系统在跳跃区间的振动状态，使系统响应幅值保持在非共振支上，从而有效提升了隔振性能。刘兴天等提出了一种由屈曲欧拉梁与线性隔振器并联组成的准零刚度隔振器，并运用谐波平衡法深入研究了其隔振原理和性能，为隔振器的设计提供了新的思路。

然而，当前的研究仍存在一些不足之处。部分准零刚度隔振器的结构设计较为复杂，这不仅增加了制造难度和成本，还可能影响其可靠性和稳定性。一些隔振器的近零刚度范围较窄，限制了其在更广泛频率范围内的隔振效果。此外，对于准零刚度隔振器在复杂工况下的性能研究还不够深入，如在多向振动、冲击载荷等条件下的响应特性和隔振效果等方面，仍有待进一步探索和研究。

1.3研究内容与方法

本文主要针对准零刚度隔振器的特性分析及实验研究展开，具体研究内容包括：首先，深入研究准零刚度隔振器的工作原理和结构特点，建立准确的力学模型，为后续的特性分析奠定坚实基础。其次，通过理论分析，运用相关的力学原理和数学方法，详细研究隔振器的刚度特性、动力学特性等，深入探究其在不同工况下的性能表现。再者，利用数值模拟软件，对隔振器进行仿真分析，直观地展示其在不同参数条件下的动态响应，进一步验证理论分析的结果，并为实验研究提供指导。最后，设计并搭建实验平台，对所研究的准零刚度隔振器进行实验测试，通过实验数据来验证理论分析和数值模拟的