一种具有双梯度双材料压扭耦合特性的准零刚度隔振装置

本发明涉及超材料结构隔振，具体涉及一种具有双梯度双材料压扭耦合特性的准零刚度隔振装置。

背景技术：

1、随着航空航天、精密仪器及高端装备领域的发展，设备对低频振动隔离性能和结构承载能力提出了更高要求。传统线性隔振装置通常通过降低结构刚度实现较低固有频率，但低刚度会导致承载能力下降、静态变形增大，难以同时满足低频隔振和高承载需求。因此，具有低动态刚度和高静态承载能力的准零刚度隔振结构逐渐成为研究热点。

2、现有准零刚度隔振结构主要通过正刚度元件与负刚度元件耦合实现准零刚度特性，例如利用曲梁及其支撑结构的耦合作用，使曲梁在受载过程中发生非线性屈曲变形，从而产生负刚度效应，并与正刚度弹性结构形成刚度补偿。部分结构通过多级屈曲、多稳态结构以及阵列化设计拓宽准零刚度工作范围，提高隔振性能。然而，现有结构大多依赖单一弯曲、屈曲或轴向压缩变形模式，刚度调控方式较为单一。

3、近年来，柔性超材料及增材制造技术的发展为准零刚度结构设计提供了新的途径。通过柔性材料与刚性支撑结构的组合，可以实现复杂变形模式下的力学性能调控。但现有双材料准零刚度结构主要侧重于材料刚度匹配和结构承载优化，因此，现有技术仍需要一种能够结合不同变形模式、实现多阶段准零刚度响应的准零刚度隔振装置。

技术实现思路

1、本发明提供了一种具有双梯度双材料压扭耦合特性的准零刚度隔振装置，以解决现有准零刚度隔振结构主要依靠单一弯曲、屈曲或压缩变形实现刚度调控，存在变形模式单一、准零刚度响应阶段单一的问题。

2、本发明的技术方案是：

3、一种具有双梯度双材料压扭耦合特性的准零刚度隔振装置，包括上端准零刚度压扭结构、下端准零刚度压扭结构以及设置于上端准零刚度压扭结构、下端准零刚度压扭结构之间的中部准零刚度胞元；上端准零刚度压扭结构、下端准零刚度压扭结构、中部准零刚度胞元沿竖直压缩方向串联布置；

4、所述上端准零刚度压扭结构包括上端接触支撑圆台11、上端柔性单元12、上端圆柱支撑杆13；上端接触支撑圆台11靠近下端准零刚度压扭结构的一侧设有上端圆柱支撑杆13及多个上端柔性单元12，且上端圆柱支撑杆13与上端接触支撑圆台11同轴布置，多个上端柔性单元12以上端圆柱支撑杆13为中心均匀分布在上端圆柱支撑杆13周侧；

5、所述下端准零刚度压扭结构包括下端柔性单元31、下端接触支撑圆台32、下端圆柱支撑杆33；下端接触支撑圆台32靠近上端准零刚度压扭结构的一侧设有下端圆柱支撑杆33及多个下端柔性单元31，且下端圆柱支撑杆33与下端接触支撑圆台32同轴布置，多个下端柔性单元31以下端圆柱支撑杆33为中心沿圆周方向均匀阵列分布在下端圆柱支撑杆33周侧。

6、进一步地，所述上端柔性单元12一端与上端接触支撑圆台11一体成型地连接，所述上端柔性单元12另一端与所述中部准零刚度胞元中顶部支撑结构22一体成型地连接；所述下端柔性单元31一端与下端接触支撑圆台32一体成型地连接，所述下端柔性单元31另一端与所述中部准零刚度胞元中底部支撑结构24一体成型地连接；所述上端圆柱支撑杆13一端与上端接触支撑圆台11一体成型地连接，所述上端圆柱支撑杆13另一端与顶部支撑结构22沿竖直方向存在间隔；所述下端圆柱支撑杆33一端与下端接触支撑圆台32一体成型地连接，所述下端圆柱支撑杆33另一端与底部支撑结构24沿竖直方向存在间隔。

7、进一步地，所述上端柔性单元12、下端柔性单元31的构建方式相同，以上端柔性单元12进行描述，所述上端柔性单元12由莫比乌斯环结构截取得到，并以上端圆柱支撑杆13为中心沿圆周方向均匀阵列设置m个，具体构建方式为：以椭圆作为空间路径，以矩形作为扫描截面，通过沿椭圆路径进行360°扭转扫描，并绕椭圆长轴方向均匀扭转180°形成单个莫比乌斯环结构；对单个莫比乌斯环结构沿椭圆长轴方向分别从顶部和底部向中心分别切除预设长度，获得内侧柔性单元、外侧柔性单元；将椭圆空间路径长轴线沿椭圆的短轴方向向内侧平移至与上端圆柱支撑杆13的中轴线同轴，并将平移后的长轴线作为旋转轴线；以所述旋转轴线为中心，对外侧柔性单元进行等角度圆周阵列，使m个外侧柔性单元沿圆周方向均匀分布，从而形成m个均匀布置的上端柔性单元12，m个均匀布置的上端柔性单元12构成上端柔性结构。

8、进一步地，所述中部准零刚度胞元包括三圆弧相切连接的正刚度曲梁21、顶部支撑结构22、双层负刚度曲梁23、底部支撑结构24、第一支撑立杆25及第二支撑立杆26；呈上下间隔布置的顶部支撑结构22、底部支撑结构24相靠近的一侧采用中心对称的正多边形结构，所述顶部支撑结构22、底部支撑结构24各对应边的端部通过三圆弧相切连接的正刚度曲梁21一体成型地连接；所述顶部支撑结构22靠近底部支撑结构24的中部设有一体成型的且沿竖直方向延伸的第一支撑立杆25，且第一支撑立杆25远离顶部支撑结构22的端部与底部支撑结构24之间沿竖直方向存在间距；所述底部支撑结构24靠近顶部支撑结构22的一侧的各边中部设有沿竖直方向延伸的第二支撑立杆26，且第二支撑立杆26远离底部支撑结构24的端部与顶部支撑结构22之间沿竖直方向存在间距；第一支撑立杆25与第二支撑立杆26之间通过双层负刚度曲梁23一体成型地连接。

9、进一步地，所述三圆弧相切连接的正刚度曲梁21由第一斜直杆、三段式圆弧曲杆和第二斜直杆依次相切一体连接形成；所述三段式圆弧曲杆由依次连接的第一内凹圆弧曲杆、外凸圆弧曲杆、第二内凹圆弧曲杆构成。

10、进一步地，所述第一内凹圆弧曲杆、第二内凹圆弧曲杆尺寸相同，第一内凹圆弧曲杆、外凸圆弧曲杆对应的外侧圆弧半径分别为和，第一内凹圆弧曲杆、外凸圆弧曲杆对应的内侧圆弧半径分别为和，三段式圆弧曲杆的内侧圆弧由对应的外侧圆弧沿径向等距形成。

11、进一步地，所述双层负刚度曲梁23采用双层结构，每层由四段余弦型曲梁基于第一支撑立杆25呈十字型布置，两层余弦型曲梁呈平行布置，各层的每段余弦型曲梁一端与第一支撑立杆25一体成型地连接，各层的每段余弦型曲梁另一端与对应侧的第二支撑立杆26一体成型地连接。

12、进一步地，所述余弦型曲梁以中心曲线向内向外等距形成，其中心曲线采用如下形式：；

13、其中，为余弦型曲梁水平投影方向的坐标变量，取值范围为；为最大弧高，为余弦型曲梁水平投影长度；为余弦型曲梁竖直投影方向的坐标变量。

14、本发明的有益效果是：

15、本发明通过上端准零刚度压扭结构、下端准零刚度压扭结构与中部准零刚度胞元串联组合，使结构通过压缩-扭转耦合变形、压缩变形具有两个响应阶段的准零刚度响应，提高了结构刚度调控能力和承载稳定性：一方面，本发明巧妙地采用莫比乌斯环截取的外侧柔性单元构建上端准零刚度压扭结构、下端准零刚度压扭结构，使结构由传统单一轴向变形转变为压缩-扭转耦合变形，利用超弹性材料产生非线性恢复力，实现新的准零刚度调控方式。另一方面，本发明中部准零刚度胞元采用三圆弧相切连接的正刚度曲梁与余弦型双层负刚度曲梁协同设计，通过正负刚度相互补偿降低整体等效刚度，同时保持较好的承载稳定性。此外，本发明采用多材料增材制造方式制备，其中莫比乌斯环截取的上端柔性单元、下端柔性单元采用tpu材料制备，上端准零刚度压扭结构、下端准零刚度压扭结构中的其余支撑结构以及中部准零刚度胞元采用pla材料制备，通过多材料一体化成型方式实现柔性变形区域与承载支撑区域的可靠连接。