可编程多稳态准零刚度超材料在多场景振动隔离中的应用研究

研究人员针对传统振动隔离系统在低频段难以兼顾负载能力与隔离效率的问题，提出了一种基于接触块（CB）的可编程多稳态准零刚度（QZS）超材料。通过数据驱动方法定制QZS力级和区间长度，结合非对称刚度行为实现10 Hz以上的优异隔振性能，并通过平面/多层阵列策略实现分级QZS行为。该设计为受限空间内适应多变负载的轻量化、可编程隔振系统开发提供了新范式。

　　

振动隔离技术是航空航天、精密制造等领域的关键需求，但传统线性隔振器在低频段面临负载能力与隔离效率的固有矛盾。准零刚度（QZS）结构通过高静刚度-低动刚度特性突破这一限制，然而现有设计多为固定构型，难以适应多变工况。尤其当空间受限时，如何实现可编程的QZS行为成为核心挑战。

针对这一难题，国内研究人员在《Applied Materials Today》发表研究，提出了一种集成接触块（CB）的曲线梁型多稳态超材料。通过数据驱动方法优化CB几何参数，实现了QZS力级（F_s）和区间长度的精准调控。动态分析显示，非对称刚度行为可将位移幅值上限降低23%，同时多层阵列策略使QZS力级提升至8 N。实验验证了该材料在10-60 Hz频段的卓越隔振性能（位移传递率T < 0），为可变负载环境下的自适应隔振提供了创新解决方案。

关键技术包括：1）基于等效旋转梁（ERT）模型和差分进化（DE）算法的数据驱动设计；2）通过激光切割和3D打印制备接触块-曲线梁复合单元；3）采用振动台系统（含信号发生器DG822和功率放大器GF）进行频响测试；4）利用绝对位移传递率（T=20log₁₀(a_out/a_in)）量化隔振效果。

【结构模型】
通过旋转对称排列的双稳态单元构建超材料层，接触块设计使QZS区间长度可调至2.5 mm，力级误差<5%。

【动态特性】
当QZS区间延长30%时，系统呈现显著非对称刚度，上平台位移幅值从3.2 mm降至2.5 mm，同时整体幅值放大1.8倍。

【实验验证】
在900 mV_pp输入下，单层结构（F_s=8 N）在20 Hz处传递率低至-15 dB，且加速度幅值始终保持在QZS区间内。

【分级QZS行为】
平面阵列通过单元数量调控总力级，多层堆叠则延长有效QZS区间，二者协同实现0.5-15 N的宽域负载适应。

该研究首次将可编程多稳态与定制化QZS行为集成，突破了传统隔振材料"一构型一工况"的限制。通过模块化设计，用户可预配置特定QZS参数以适应航天器发射（高冲击）、精密仪器（微振动）等差异化场景。这种"参数化设计-数据驱动优化-多尺度验证"的研究框架，为下一代智能隔振系统的开发提供了普适性方法论。