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仿生隔振:模仿生物体结构运动的新兴非线性隔振技术探索

佚名 2025-05-08

仿生振动隔离是一种新兴的非线性振动隔离技术。它旨在通过模仿自然界的生物的结构和运动来设计有效的振动抑制系统。研究方法通常包括观察和分析生物体的结构和运动,以及构型设计,理论建模,数值模拟和仿生结构的实验验证。研究表明,与传统的线性振动隔离器相比,仿生振动隔离器具有更大的振动隔离带宽和更好的低频振动隔离性能。通过调整几何参数,仿生隔离器可以在负刚度,准零刚度,零刚度和较小的正刚度之间灵活调节以适应不同的振动环境。因此,对生物体的振动隔离特性的深入探索具有重要的科学价值和实际意义,并为低频振动隔离提供了一种新的方法。

鉴于上述背景,Yan Bo教授的Zhejiang技术大学团队观察了Kowtow Worms的三个运动姿势,探索了其有机体与仿生结构之间的映射关系,并提出了一种新型的Mimitation Kowtow Worm振动隔离器。仿生振动的隔离器简化了头部和前进,thorax和腹部的tho毛和腹部,而肌肉(消耗元件)将其简化为弹性设备(例如弹簧)。通过更改杆的长度和初始装配角,仿生振动隔离器可以实现三种the柱,从而实现更丰富的非线性刚度特性和低频振动隔离性能。相关的结果发表在《声音与振动杂志》上,《权威国际力学》杂志上,标题为“具有较大的准零刚度区域的新型点击蛋糕启发的新型结构的超低频率振动隔离”。

图1显示了kowtow蠕虫的三个运动姿势:(a)正常姿势,(d)向下姿势,(g)抬起姿势。通过简化拓扑,可以获得相应的仿生振动隔离结构。从图1(c),(f)和(i)中,可以看出,不同的拓扑结构显示出不同的非线性刚度特性,零刚度面积很大,这有助于扩展振动隔离带并改善低频振动隔离性能。图2显示了仿生振动隔离器的配置设计,该设计具有其简单结构但丰富的动态特性的优势。

图1 kowtow虫的三个运动姿势:(a)正常姿势(d)向下姿势(g)向上姿势。 (b)(e)(h)对应于拓扑。 (c)(f)(i)相应的非线性刚度特性。

图2模仿的结构kowtow昆虫振动隔离器

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图3显示了三种模仿kowtow隔离器的三个姿势的力置换曲线和刚度特性。图3(a)表明,随着初始组装角度在正常姿势中变化,隔离器的刚度可以从准零到零刚度变为负刚度。从图3(b)中可以看出,在头部向下位置时,振动隔离器始终保持刚度,但是随着初始组件角度的降低,刚度也会降低。图3(c)显示,当在头部位置(与前两个位置不同)时,振动隔离器的杆长度比减小,并且刚度相应地降低,但几乎保持零刚度。

图3在三个姿势中,仿制的绿色振动器隔离器的力置换特性和刚度特性

图4显示了三种模仿kowtow蠕虫振动隔离器的低频振动隔离性能。图4(a)表明,在正常姿势下,随着初始装配角的增加,隔离器的共振频率和峰值传递速率显着降低,并且杆长度比下降。从图4(b)中可以看出,在头部向下位置时,振动隔离器将跳跃,这不利于系统的稳定性。但是,随着初始组件角度的降低,共振频率和峰值传递速率将降低,而跳跃现象将消失。图4(c)表明,当在头部位置时,振动隔离器的刚度为零。因此,共振现象将消失,整个频带都位于振动隔离区。随着初始组件角度的增加和杆长度比的减小,振动隔离性能将得到显着提高。

图4仿制的三种姿势kowtow蠕虫振动隔离器中的传输速率

实验结果表明,模仿kowtow蠕虫隔离器的共振频率不超过2Hz,甚至不超过0Hz。峰转移速率不超过7dB,也没有共振现象。因此,所提出的模仿kowtow蠕虫振动隔离器具有出色的低频振动隔离性能,可广泛用于不同的振动抑制场。

图5实验结果

智格技术大学机械工程学院的Yan Bo教授是本文的相应作者,博士生Ling Peng是第一作者。合作者包括上海Jiaotong大学机械工程学院的张文教授。研究工作由国家自然科学基金会资助。

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近年来,Yan Bo教授的团队在低频磁性刚度下进行了一系列有关非线性振动隔离和仿生振动隔离的一系列工作,并发表了一系列代表性论文:声音和振动杂志,2021,494:115862;声音与振动杂志,2022,527:116865;机械系统和信号处理,2021,146:107010。机械系统和信号处理,2022,167:108507;机械系统和信号处理,2022,171:108955。

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