嵌入智能激励适应性以实现共振抑制的QZS振动隔离

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Embedding intelligent excitation adaptability for resonance-suppressed QZS vibration isolation

准零刚度振动隔离器通过自适应刚度切换实现宽频带振动抑制与共振抑制，采用凸轮-滚子-弹簧机制配合步进电机和偏心滑块实现刚度调节，嵌入快速频率识别算法实时判断工作模式。实验表明，自动切换模式下共振峰降低87.5%，模式切换耗时约430ms，原型验证有效且多频激励仿真显示良好应用前景。

　　近年来，随着航天器、舰船和武器系统等先进设备向轻量化、高灵活性和小型化方向发展，同时对多功能性和复杂环境适应能力的需求日益增加，所面临的振动环境也变得更加复杂。这些振动不仅表现出宽频带、多分量和超低频内容的特征，还可能具有时变性和动态特性。这种日益复杂和变化的振动条件对现有的振动隔离技术提出了前所未有的挑战，凸显了对新型理论和方法的迫切需求。

目前，振动隔离器主要分为线性和非线性两类。线性振动隔离器只能衰减高于其固有频率两倍以上的振动频率。为了实现低频振动隔离，线性振动隔离器需要具有极低的刚度，这会导致较大的静态变形，从而严重影响系统的整体稳定性和实用性。为克服这一局限性，具有准零刚度（Quasi-Zero Stiffness, QZS）特性的非线性振动隔离器被广泛研究。这类系统能够在保持高静态刚度的同时实现低动态刚度，从而显著降低初始振动隔离频率。QZS振动隔离器通常通过将负刚度机制与正刚度部件并联连接来构建。因此，大量研究集中于优化负刚度部件以降低初始振动隔离频率并提升低频性能。

例如，一种集成平移-旋转机制的QZS振动隔离器被设计出来，能够同时在两个方向上实现高静态低动态刚度。此外，三种负刚度机制，包括斜弹簧和外内切的滚轮-弹簧机制也被结合，构建出具有大范围零刚度特性的振动隔离器。还有通过精心设计滚轮-弹簧-杆机制的新型QZS振动隔离器，实现了小值的线性动态刚度。除了并联正负刚度结构，QZS还可以通过设计和优化超材料结构实现，这些结构已被证明能够提供有效的振动隔离性能。尽管这些研究显著推动了高静态低动态振动隔离系统的理解，但实现接近零初始振动隔离频率的目标（即全频段振动隔离）仍然是实际应用中的重大挑战。

因此，QZS振动隔离器面临的一个关键问题是其在低频范围内的固有共振风险，这种共振可能放大而非抑制振动，从而显著限制其在可能受到激励频率进入共振带的场景中的适用性。为应对这一问题，半主动振动隔离器提供了一种高效且自适应的解决方案，其在全频段振动控制方面优于被动方法，同时保持比全主动方法更低的能量需求和更高的稳定性。半主动系统的定义优势在于其能够通过最小的能量输入，切换并稳定维持新的机械状态，包括改变刚度、阻尼或惯性。这使得系统能够实时适应频率变化的激励。

近年来，各种可调装置在半主动振动隔离系统中的应用已被证明是有效的。例如，磁流变、电流变和可变阻尼装置能够实现频率相关的阻尼控制：在低频时增加阻尼，在高频时恢复原始状态。这种能力使得系统在全频段内实现更有效的振动控制，相比传统的高阻尼被动方法具有明显优势。此外，通过集成多刚度模式结构，如基于折纸的机制、电磁执行器和压电元件，半主动系统可以实现按需刚度重构，从而优化全频段的振动传递性能。这些进展表明，半主动振动隔离器在共振抑制、动态性能调节、能源效率和系统稳定性方面具有显著潜力，使其成为传统方法的有力替代。

然而，由于缺乏系统自主性，半主动振动隔离器的优势仍然大多停留在理论层面，尚未完全转化为实际工程应用。自半主动振动隔离技术诞生以来，大多数研究集中于系统机械性能的可调性，但这些参数的调整通常依赖于手动操作或预定义的控制策略。这种依赖方式未能体现半主动系统应具有的自主性，也未能充分发挥其在低功耗、快速响应和高稳定性方面的潜力。是否在调节过程中存在固有的、难以克服的瓶颈仍然是一个开放性问题，这种不确定性已成为该领域进一步发展的关键障碍。此外，可调组件的执行方案和控制策略也面临挑战，包括功耗、响应延迟、系统稳定性和长期运行可靠性等方面。上述限制表明，尽管半主动振动隔离技术通过引入可调组件提升了振动控制性能，但其在实际工程中的潜力尚未得到充分开发，主要受限于自主适应、执行机制和控制设计方面的进展不足。不过，这一概念仍具有高度的发展价值，并为未来高性能振动控制解决方案提供了坚实的理论基础。

本文提出了一种将智能激励适应性嵌入QZS振动隔离器（QZS-VI）的方法，以实现宽带低频振动隔离和共振抑制。与传统的通过机械方式更新参数的自适应系统不同，所提出的系统（以下简称智能QZS振动隔离器IQZS-VI）能够感知环境变化，判断切换条件，并自主决定是否需要调整参数。一个概念验证的IQZS-VI被开发出来，其机械结构基于可调节的滚轮-弹簧机制，并通过集成电机实现刚度调整。电机能够控制系统正刚度（LPS）和负刚度组件之间的切换状态。正负刚度组件的结合，即并联连接，使得系统处于QZS工作模式，而它们的分离则形成LPS工作模式。考虑到系统在QZS模式下的振动传递性在高频区域低于LPS模式，但在低频区域显著高于LPS模式，IQZS-VI能够根据及时识别的瞬态外部激励频率，在LPS和QZS模式之间快速切换。这种模式之间的自适应切换过程通过开发一个半主动控制系统来实现，该系统能够根据外部激励频率自主调节滚轮-弹簧机制的结合与分离状态。因此，所提出的IQZS-VI设计能够在高频区域保持QZS系统的优越振动隔离性能，同时有效抑制传统QZS配置在低频激励下的共振行为。静态和动态分析被用于表征和验证所提出的振动隔离系统。此外，还制作了原型进行实验，以验证系统的性能。

本文的其余部分组织如下。在第2节中，介绍了IQZS-VI的概念和结构设计。在第3节中，进行了静态建模和分析。在第4节中，利用谐波平衡法建立了LPS和QZS工作模式的动态模型，并分析了其特性。第5节给出了IQZS-VI的半主动控制策略。在第6节中，制作了原型，并获得了实验结果和分析。第7节则展示了IQZS-VI在多频激励下的进一步理论分析。最后，在第8节中，总结了研究结论和未来工作方向。

在概念设计部分，本文详细描述了IQZS-VI的创新设计和工作机制。该系统的模块化设计使其能够适应各种频率变化的激励，通过在LPS和QZS模式之间切换工作状态来实现。这种双模式操作确保了系统在不同环境下的可靠性，使其成为高精度任务的多功能解决方案。为了实现这一创新设计，采用了常见的滚轮-弹簧机制，该机制能够通过集成电机进行调整。电机使得系统能够控制正刚度和负刚度组件之间的切换状态。正负刚度组件的结合，即并联连接，使得系统处于QZS工作模式，而它们的分离则形成LPS工作模式。考虑到系统在QZS模式下的振动传递性在高频区域低于LPS模式，但在低频区域显著高于LPS模式，IQZS-VI能够根据及时识别的瞬态外部激励频率，在LPS和QZS模式之间快速切换。这种模式之间的自适应切换过程通过开发一个半主动控制系统来实现，该系统能够根据外部激励频率自主调节滚轮-弹簧机制的结合与分离状态。因此，所提出的IQZS-VI设计能够在高频区域保持QZS系统的优越振动隔离性能，同时有效抑制传统QZS配置在低频激励下的共振行为。静态和动态分析被用于表征和验证所提出的振动隔离系统。此外，还制作了原型进行实验，以验证系统的性能。

在静态建模和分析部分，本文对IQZS-VI进行了静态分析，并提供了系统在平衡位置的恢复力表达式。研究了负刚度机制中不同弹簧压缩量对振动隔离器的影响。当外部激励低于交叉频率时，IQZS-VI处于线性刚度状态，由线性弹簧支撑负载，即LPS模式。当外部激励超过交叉频率时，系统则进入QZS模式。通过理论和数值方法的比较，验证了所提出的IQZS模型的有效性。

在动态建模和分析部分，本文建立了IQZS-VI在不同工作模式下的动态模型，并分析了其特性。研究了不同参数对动态特性的影响，包括刚度和绝对位移传递性。通过实验结果与数值结果的对比，验证了系统的动态性能。此外，还探讨了系统在不同激励频率下的响应特性，分析了其在低频和高频区域的振动隔离能力。

在半主动控制策略部分，本文介绍了针对频率变化激励的半主动控制策略的算法和实现方法。在实际应用中，外部激励频率通常是时变的。当其接近传统线性振动隔离系统的固有频率时，会发生共振，导致传递性出现尖峰。这种固有特性显著影响系统的稳定性，使得振动能量迅速增加。因此，为了有效抑制共振，需要通过实时调整系统的刚度来适应外部激励频率的变化。所提出的半主动控制策略能够实现这一点，通过自动调节系统的刚度，使系统在不同频率激励下保持最佳的振动隔离效果。这种策略不仅提高了系统的适应能力，还增强了其在复杂环境下的稳定性。

在实验分析部分，本文对IQZS-VI系统进行了详细实验研究，涵盖了模型验证和机械特性分析。为了验证IQZS-VI的振动抑制性能，开发了一个基于滚轮-弹簧机制和线性弹簧的原型。通过比较实验结果与数值结果，分析了LPS和QZS模式的动态特性。此外，还研究了系统在不同激励频率下的响应行为，验证了其在实际应用中的性能。实验结果表明，当系统在频率识别后自主切换模式时，共振峰值降低了高达87.5%。切换过程大约需要430毫秒，这使得系统能够快速响应频率变化的激励。此外，通过进一步的多频激励仿真分析，验证了IQZS-VI在复杂激励条件下的适用性。这些结果表明，IQZS-VI在多频激励条件下具有良好的振动控制性能，展现出广阔的应用前景。

在多频激励下的理论分析部分，本文探讨了IQZS-VI是否能够在多频激励条件下保持其在单频激励下所展现的优异性能。作为代表性案例，首先考虑了由两个相同频率和振幅组成的谐波激励，并通过多个示例分析系统在不同激励条件下的响应特性。研究结果表明，IQZS-VI在多频激励条件下仍然能够有效抑制共振，并保持良好的振动隔离性能。这种能力使得系统在复杂激励环境下具备更高的适用性，为实际工程应用提供了可靠的解决方案。

在结论部分，本文总结了IQZS-VI在实现宽带低频振动隔离和共振抑制方面的研究成果。通过结合滚轮-弹簧机制和步进电机，IQZS-VI能够实现负刚度的可调性。半主动控制系统被嵌入到系统中，用于快速识别外部激励频率，并自主切换刚度模式。实验结果表明，该系统在实际应用中能够有效抑制共振，并提升振动隔离性能。此外，静态和动态分析进一步验证了系统的性能。IQZS-VI在多频激励条件下的仿真分析也表明其在复杂激励环境下的适用性。这些研究成果不仅推动了振动隔离技术的发展，也为未来高性能振动控制解决方案提供了坚实的理论基础和实践指导。

本文的研究成果具有重要的工程应用价值，特别是在需要高精度振动控制的场景中。通过引入智能激励适应性，IQZS-VI能够在不同频率激励下保持最佳的振动隔离效果，同时有效抑制共振。这种能力使得系统在复杂环境下的稳定性得到了显著提升，为实际应用提供了可靠的解决方案。此外，系统设计的模块化特性使其能够适应多种应用场景，为不同需求的工程系统提供灵活的振动控制方案。这些特性使得IQZS-VI在未来的振动控制领域具有广阔的发展前景。

综上所述，本文提出了一种具有智能激励适应性的QZS振动隔离器（IQZS-VI），通过结合滚轮-弹簧机制和步进电机，实现了负刚度的可调性。系统能够在LPS和QZS模式之间自主切换，以适应不同频率的激励。半主动控制系统被嵌入到系统中，用于快速识别外部激励频率，并实现刚度模式的自适应切换。实验结果表明，IQZS-VI在频率变化的激励下能够有效抑制共振，并提升振动隔离性能。静态和动态分析进一步验证了系统的性能，而多频激励下的仿真分析也表明其在复杂激励环境下的适用性。这些研究成果不仅推动了振动隔离技术的发展，也为未来高性能振动控制解决方案提供了坚实的理论基础和实践指导。