[發明專利]一種幾何非線性可調多穩態裝置

有效

• 申請號: 202110666762.5
• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113309784B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 楊濤;劉嘉一;宋鵬坤;蔡翔宇;劉卿池
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F16C29/02
• 分類號: F16C29/02;F16C29/00;F16F15/02;F16F15/06
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 屠沛

本發明提供了一種幾何非線性可調多穩態裝置，解決現有多穩態機構存在結構復雜、行程無法調整、穩態數目調整困難等缺點，且對于具有高次準零剛度特征的幾何非線性多穩態系統的設計及其應用的研究甚少的問題。該幾何非線性可調多穩態裝置通過彈性元件與支座和第二質量塊的配置提供基礎多穩態單元，利用幾何參數可調的性質，可以實現不同多穩態機構之間的變體，變體過程不需要添加任何其他的器件，有效避免系統由于裝卸不同多穩態機構而引起的效率和成本問題，具有實用、能耗小、造價低等特點。

技術領域

本發明屬于非線性動力學與控制技術領域，涉及一種幾何非線性可調多穩態裝置。

背景技術

幾何非線性系統已經在航天、航空、航海、武器裝備、醫療、機械加工、能量收集等領域得到了廣泛的應用。幾何非線性系統最簡單的形式是單自由度單穩態結構，系統只有一個穩定平衡狀態和一個振蕩質量。近年來，國內外學者利用單穩態正剛度元件與雙穩態負剛度元件并聯的方法提出了一類新型幾何非線性準零剛度隔振器。準零剛度隔振系統具有高靜態、低動態剛度等優良特性，可以提高隔振精度及實現較低頻隔振，但仍然存在超低頻、共振等難題。由于受限于幾何非線性動力學的研究進展，幾何非線性多穩態系統的設計理論、控制策略及應用仍處于探索階段，特別是滿足多個特定功能的可調多穩態機構已成為制約機械設備性能精度提高的關鍵。

目前，中國專利CN100837947A、CN101799086均提出了采用單個柔性雙穩態機構結合多級連桿滑塊機構的多穩態機構；中國專利CN102556934A提出了采用四個導槽和一個動滑塊結合多個磁鐵設計的多穩態機構；美國專利US2009/0186196A1和US2007/01200011A1提出了依靠殘余應力使結構產生多級塑性變形的多穩態機構。但上述現有多穩態機構存在結構復雜、行程無法調整、穩態數目調整困難等缺點，而對于具有高次準零剛度特征的幾何非線性多穩態系統的設計及其應用的研究甚少。

因此，從航空航天、裝備、機械加工、能量收集等發展需求出發，目前迫切需要設計滿足多個特定功能的幾何非線性可調多穩態機構，提升超低頻能量收集和隔振領域的技術水平和技術成熟度，促進航空航天、機械加工、能量收集等質量和品質的提高。

發明內容

本發明的目的在于解決現有多穩態機構存在結構復雜、行程無法調整、穩態數目調整困難等缺點，且對于具有高次準零剛度特征的幾何非線性多穩態系統的設計及其應用的研究甚少的不足之處，而提供了一種滿足多個特定功能的幾何非線性可調多穩態裝置。

為實現上述目的，本發明所提供的技術解決方案是：

一種幾何非線性可調多穩態裝置，其特殊之處在于：包括矩形框架、多穩態單元、第一連桿、第一質量塊以及第一導軌；

所述矩形框架由上側調節架、下側調節架以及兩側的固定架組成；

所述第一導軌的兩端分別與上側調節架和下側調節架連接，且第一導軌與兩側的固定架的平行設置，上側調節架和下側調節架均可沿第一導軌上下移動，調節間距；

所述第一質量塊滑動設置在第一導軌上；

所述多穩態單元位于在第一導軌與其中一側的固定架之間，其包括支座以及彈性元件；

所述彈性元件為上下對稱的元件，其兩端通過支座分別安裝在上側調節架和下側調節架上；其中心點通過第一連桿與第一質量塊連接；

定義：上側調節架和下側調節架與中心點之間的距離為a，支座與第一導軌之間的距離為b，第一連桿的長度為c；

通過調節a、b、c，便可調節第一質量塊的位移以及穩態個數。a的大小通過改變上側調節架和下側調節架在第一導軌上的位置實現，b通過改變支座位置，c通過改變第一連桿的長度。