高超聲速飛行器在飛行過程承受嚴酷的振動環境，高量級的振動會使設備發生功能失效，甚至發生災難性后果。NASA在上世紀70年代對歷次航天發射事件進行了統計，結果表明振動環境是導致飛行失利最重要的因素之一。為保證振動環境下的裝備性能，利用隔振器將裝備與動態激勵隔離是振動環境適應性設計最簡單、有效的方法之一。本文將介紹一類高性能新型隔振器——準零剛度隔振器的發展現狀和設計方案。

線性隔振理論表明，只有當激勵頻率大于√2倍固有頻率時，系統才有隔振效果。隔振系統中隔振器的壓縮量（平衡位置靜位移）受到安裝空間的約束和側向穩定性需求的限制，因此若要提高承載能力需要隔振器具有較高剛度，然而高剛度又勢必導致較高的固有頻率。高承載能力和低固有頻率之間的矛盾成為被動隔振技術發展的瓶頸，而低頻隔振尤其是重型設備的低頻隔振也一直是被動隔振的難點問題。

具有高靜低動剛度特性的隔振器具有隨壓縮量變化的剛度，在零負載時，隔振器具有大靜剛度（承載剛度）以確保高承載能力和小靜位移，當負載壓縮隔振器至靜平衡位置時，隔振器動剛度大幅降低，因此該類隔振器兼顧高承載能力和低固有頻率，有效解決了被動隔振的瓶頸問題。準零剛度隔振器即為一類非常有代表性的具有高靜低動剛度特性的隔振器。顧名思義，準零剛度隔振器即為動剛度接近于零的隔振器，目前常見如下三種設計形式：

• 一是將負剛度機構并聯到正剛度系統中實現準零剛度；

• 二是利用特定形狀的結構力-形變之間的非線性關系實現準零剛度；

• 三是采用全新的隔振機理。

一、并聯負剛度機構

根據實現負剛度特性的方式的不同，并聯負剛度機構型準零隔振器存在以下兩種結構形式：

• 一種是利用彈簧產生負剛度，最典型的結構如圖1所示，采用兩個預壓縮的水平彈簧作為負剛度元件，與豎直方向的彈簧和阻尼器組成準零剛度隔振系統，在一定的振動幅值范圍內，預壓縮的水平彈簧提供與豎直彈簧反向作用力實現準零剛度。

• 另一種是利用磁力產生負剛度，典型的結構如圖2所示，磁力將抵消部分正剛度系統的彈性恢復力實現準零剛度。

圖1 預壓縮水平彈簧準領剛度隔振器

圖2 磁鐵式準零剛度隔振器

二、利用特定形狀

利用特定形狀的結構力-形變之間的非線性關系實現準零剛度是一種更為直接的方法，如彈性曲梁結構（見圖3），梁的屈曲變形亦是一種簡捷有效實現高靜態低動態剛度的方式，如歐拉梁低頻隔振器即是以梁的屈曲態為靜平衡態，實現了低動態剛度。

圖3 彈性曲梁式準領剛度隔振器

三、全新隔振機理

現有準零剛度隔振器，大多是在上述兩類原理的基礎上對機械結構進行改進和創新，普遍存在結構復雜、負載安裝困難等缺點，目前少見工程應用。近年來，一些學者不再拘泥于現有原理和結構，利用全新機理實現準零剛度。

圖4結構采用超彈形狀記憶合金梁作為彈性元件實現準零剛度，當結構受到壓縮時，記憶金屬梁會被拉伸，通過記憶金屬梁提供的非線性回復力。

圖4記憶合金梁式準零剛度隔振器

懸置波紋管式隔振器也是一類新型準零剛度隔振器（見圖5），波紋管容器內封裝由液壓油和充氣小波紋管單元體組成的液固混合介質形成波紋管隔振器，波紋管隔振器利用液壓油傳遞壓強，通過壓縮充氣小波紋管提供彈性。波紋管隔振器具有分段線性的剛度特性，而通過圖5所示機構將波紋管容器懸置，在結構受壓時使波紋管容器受拉，即可實現準零剛度。

5 懸置波紋管式隔振器

分子彈簧隔振器（見圖6）也是一種新型準零剛度隔振器。分子彈簧是由含納米級疏水微孔的疏水多微孔材料和水混合而成的新型功能材料，利用高壓下水分子克服疏水作用力進入多微孔材料的疏水微孔、卸載時水分子迅速逸出疏水微孔的原理，完成能量的儲存、釋放，實現隔振或緩沖。由于疏水毛細管力的作用，水在常壓下無法進入疏水微孔，此時分子彈簧具有極高剛度，當壓強增加到某一臨界值而克服毛細管力時，水分子大量進入疏水微孔，分子彈簧剛度迅速降低，從而實現準零剛度特性。

圖6分子彈簧隔振器

來源：思睿咨詢公眾號（ID：STREAMS_Consulting），作者：余慕春。部分文字與圖片材料來源于期刊資料。