基于波型转换机理和能量局域效应的Moebius隔振器

摘要

一种基于波型转换机理和能量局域效应的Moebius隔振器，所述Moebius隔振器是将多个Moebius带状结构组合在一起构成，所述多个Moebius带状结构之间通过上部承力平台和下部承力平台相连为一整体结构，所述上部承力平台和下部承力平台分别与Moebius带状结构的上部斜面区域和下部圆弧区域相连。本发明所提供的Moebius隔振器，利用Moebius带状结构所具有的弯曲刚度和扭转刚度耦合，能量局域性质作为隔振机理的隔振结构，具有承载能力大、静变形小、固有频率低，能够实现低频的宽频带传递导纳，具有较高阻尼，不发生蠕变、老化和温度敏感性等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种隔振器，更具体的说，涉及一种利用Moebius带状结构所具有的波型转 换机理和能量局域效应作为隔振机理的隔振器。

背景技术

隔振器被广泛应用于机械设备的隔振中。采用隔振器的设计目标是使隔振系统的固有频 率尽可能低，隔振效率尽可能高。但是决定其承载能力、稳定性的静刚度和决定其隔振性能 的动刚度是一对矛盾。从隔振器设计的角度出发，对静刚度的要求为使隔振器具有较大的承 载能力和各个方向较小的变形，以满足稳定性要求；对动刚度的要求为使隔振器的原点阻抗 尽量与被连接结构发生阻抗失配，而传递阻抗较大以产生较大的振动衰减。

目前常用的隔振器又橡胶隔振器、空气弹簧隔振器、钢丝绳隔振器、金属橡胶隔振器和 金属曲梁隔振器等。由于橡胶隔振器、金属橡胶隔振器和空气弹簧的静刚度、动刚度都是由 橡胶、金属丝和空气的纵向变形来提供，因此无法同时满足较小的静变形和较低的隔振频率， 并且结构内部的纵波会无阻碍地进行传播，导致传递阻抗较小；钢丝绳隔振器主要由弯曲变 形来承受静载荷和动载荷；金属曲梁隔振器由纵向变形和弯曲变形提供静刚度和动刚度，能 够承受较大载荷并同时满足较低固有频率。且由于曲梁的弯曲波和纵波耦合，具有波型转换 效应，纵波和弯曲波的相互转换可实现能量的衰减，其传递阻抗较大。但由于纵波和弯曲波 的转换发生在较高频段，因此这种衰减通常发生在较高的频率段。

Moebius带状结构是一种具有初始扭曲和弯曲的手征性结构。其不但具有曲梁的弯曲波 和纵波的耦合及相互转换，也存在这两种波与扭转剪切波之间的耦合和相互转换，与扭转剪 切波之间的转换会进一步降低波型转换发生的频率，使得传递导纳在较低频率即可实现能量 的衰减，提高能量转换的效率。在近期的研究中，Starostin和Heijden发现Moebius带状结构 在其稳定形状时，其扭曲和弯曲所蕴含的弹性能被局域在结构的最大曲率处，曲率较小区域 的能量较小[Starostin,E.,Van Der Heijden,G.The shape of astrip.Nature Materials,2007, 6(8):563-567，Starostin,E.,Van Der Heijden,G.：带状结构的形状，自然-材料学]。这 一能量局域性质可用来构造新型隔振器。

由于能量局域效应，一方面，在Moebius带状结构的曲率较小区域形成变形能较小的区 域，可以用于隔振设计；另一方面，由于在曲率较大的区域存在能量和模态的局域现象，形 成局部模态，造成类似于橡胶隔振器驻波效应的内部共振现象，因此，需要对这些局部模态 加以抑制。为克服金属隔振器阻尼较小的特点，可采用自由阻尼层及主、被动约束阻尼层的 办法进行改善。自由阻尼层将橡胶等粘弹性材料直接粘贴在结构表面，通过拉压变形消耗能 量，因此阻尼效率较低，但是其处理方便。如果采用自由阻尼层，由于Moebius带状结构存 在初始的扭转剪切变形，且弯曲波、纵波和扭转波之间可发生波型转换，其剪切变形可能会 加强阻尼层的能量耗散，增强阻尼层在中、高频的阻尼效果。

目前，国内外尚无该项技术研究应用于制造新型隔振器的报道。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种基于波形转换机理和能量区域效 应的Moebius隔振器。该Moebius隔振结构具有承载能力大、静变形小、固有频率低，能够 实现低频的宽频带传递导纳，具有较高阻尼，不发生蠕变、老化和温度敏感性等优点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于波形转换机理和能量区域效应的Moebius隔振器，是利用Moebius带状结构所 具有的弯曲波、纵波和扭转波耦合和相互转换、能量局域性质作为隔振机理的隔振结构，所 述Moebius隔振器是将多个Moebius带状结构组合在一起构成，所述多个Moebius带状结构 之间通过上部承力平台和下部承力平台相连为一整体结构，所述上部承力平台和下部承力平 台分别与Moebius带状结构的上部斜面区域和下部圆弧区域相连。

在所述Moebius带状结构的上下表面粘贴自由阻尼层，增强结构的阻尼效果。

所述上部承力平台结构是一个下部有两个楔形曲面的质量块。

所述上部承力平台或下部承力平台可以设计成一整体式，与多个Moebius带状结构相连。

所述上部承力平台或下部承力平台可以设计成两两相连，然后再通过一过渡结构相连形 成一个整体。

所述上部承力平台和下部承力平台之间的Moebius带状结构可以是3个或4个。

所述Moebius带状结构是封闭的。

所述Moebius带状结构是不封闭的。

所述Moebius带状结构去掉了上部承力平台和下部承力平台之间的较短的弯曲扭转部 分。

所述Moebius带状结构可以正装，也可以反装。

本发明中，由于采用的Moebius带状结构是具有的初始弯曲和扭曲的结构，其在受载时 由弯曲变形、纵向变形和扭转变形一起承受静载荷和动载荷。本发明利用了Moebius带状结 构中弯曲波、纵波和扭转波相互耦合和转换的机理，以及能量在Moebius带状结构中的分布 具有局域性的特性，在Moebius带状结构中合理设计上、下不连接点，利用振动在Moebius 带状结构中传递时的波型转换实现振动衰减。在Moebius带状结构的表面粘贴自由阻尼层以 增强自由阻尼层的剪切变形，实现能量耗散，并消除曲率较大部分的疲劳应力。

所设计的Moebius隔振结构具有承载能力大、静变形小、固有频率低，能够实现低频的 宽频带传递导纳，具有较高阻尼，不发生蠕变、老化和温度敏感性等优点。

附图说明

图1是一种常见的Moebius带状结构示意图；

图2是由图1所示的Moebius带状结构构成的并联结构示意图；

图3（a）是图2的主视图；

图3（b）是图2的俯视图；

图3（c）是图2的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明技术方案做一详细的说明：

图1所示的常见的Moebius带状结构，是一种具有初始弯曲和扭曲的单侧曲面的Moebius 带状结构。

图2是由上述Moebius带状结构构成的并联结构示意图，该结构由上部承力平台1、两 个Moebius带状结构2和下部承力平台3构成。上部承力平台1是一个下部有两个楔形曲面 的质量块。上部承力平台1和下部承力平台3通过螺栓分别与Moebius带状结构2的上部斜 面区域和下部圆弧区域相连，将两个Moebius带状结构2联系在一起。可通过在Moebius带 状结构2的上下表面粘贴厚度约2～3mm的自由阻尼层，增强结构的阻尼效果。

图3（a）～图3（c）是上述Moebius带状结构构成的并联结构的三个方向上的视图。

本发明中，将多个Moebius带状结构2（粘贴自由阻尼层和不粘贴自由阻尼层）组合在 一起，就构成Moebius隔振器。Moebius隔振器的上部承力平台1和下部承力平台3可以设 计成整体式，通过一个承力平台和多个Moebius带状结构2相连。也可以设计成两两相连， 最后再通过一过渡结构相连形成一个整体。

上述结构承受静载荷的方式是：当Moebius隔振结构受到静载荷时，上部承力平台经受 到压缩向下部发生位移，这些静位移将由Moebius带状结构的悬臂部分的横向变形提供一部 分，因此整个Moebius隔振结构在受到重载时向下发生的位移不大。并且由于Moebius隔振 结构是一空间结构，其他方向的载荷也会通过上部承力平台传递给Moebius带状结构的悬臂 部分，因此，Moebius隔振结构是一个具有多向承载能力的隔振结构。

当振动经过上部承力平台传递到所设计的隔振结构时，振动一部分会通过Moebius带状 结构上、下承力平台之间的较短的弯曲扭转部分进行传递，另一部分会通过Moebius带状结 构上、下承力平台之间的较长的弯曲扭转部分进行传递，两者在传递的过程中均会发生弯曲 波、纵波和扭转波的波型转换，实现能量的衰减，并且后者在传递过程中会局域在较大的曲 率处，实现能量的局域效果。粘贴自由阻尼层后能量会通过阻尼层的剪切效应得到耗散，实 现振动的隔离。

上述实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发 明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰 同样落入本发明权利要求所限定的范围。