РОЗРОБКА РОЗРАХУНКОВИХ МОДЕЛЕЙ ПАСИВНИХ КОНСТРУКТИВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ ПІДВІШУВАННЯ З КВАЗІНУЛЬОВОЮ ЖОРСТКІСТЮ, ЩО ВИГОТОВЛЕНІ З КОМПОЗИТНИХ МАТЕРІАЛІВ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2078-9130.2024.2.198573Ключові слова:
квазінульова жорсткість, метаматеріали, напруження, силовий відкукАнотація
У цій роботі розроблено метаструктуру з квазінульовою динамічною жорсткістю для застосування у віброзахисних системах. Структура складається з одиничних комірок, які включають елементи з негативною та позитивною жорсткістю, розташовані паралельно, що дозволяє досягти області квазінульової жорсткості. Проведено чисельне моделювання статичних характеристик одиничної комірки під одноосьовим стисканням, а також розроблено конструкцію, що включає множину таких комірок. Результати дослідження демонструють, що для запропонованої метаструктури зона квазінульової жорсткості знаходиться в діапазоні переміщень від 11 мм до 40 мм. У цій зоні значення сили залишається майже незмінним і становить близько 300 Н. Така поведінка дозволяє використовувати метаструктуру для ефективної віброзоляції. Одержані залежності переміщення платформи від навантаження дозволяють налаштовувати статичну жорсткість конструкції для різних застосувань ще на етапі проектування. Таким чином, метаструктура, створена на основі одиничних комірок з квазінульовою жорсткістю, є перспективним рішенням для розробки віброзахисних систем, що дозволяє забезпечити ефективну ізоляцію в широкому діапазоні навантажень.
Посилання
Haigui Fan, Lijuan Yang, Yuchen Tian & Zewu Wang, Design of metastructures with quasi-zero dynamic stiffness for vibration isolation, Composite Structures, Volume 243, 2020, 112244. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112244
Mohaddeseh Gholikord, Ehsan Etemadi, Mohammad Imani & Mahboubeh Hosseinabadi, Design and analysis of novel negative stiffness structures with significant energy absorption, Thin-Walled Structures, Volume 181, 2022, 110137. https://doi.org/10.1016/j.tws.2022.110137
David A. Debeau, Carolyn C. Seepersad & Michael R. Haberman, Impact behavior of negative stiffness honeycomb materials, Mechanical Engineering Department, The University of Texas at Austin, Austin, Texas 78712, USA.
Srajan Dalela, P. S. Balaji, Moussa Leblouba, Suverna Trivedi & Abul Kalam, Nonlinear static and dynamic response of a metastructure exhibiting quasi-zero-stiffness characteristics for vibration control: an experimental validation, Scientific Reports, Volume 14, 19195, 2024. https://doi.org/10.1038/s41598-024-70126-x
Bo Yan, Zhihao Wang, Hongye Ma, Huihuang Bao, Ke Wang, Chuanyu Wu, A novel lever-type vibration isolator with eddy current damping, Journal of Sound and Vibration, Volume 494, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2020.115862
Ding, H. & Chen, L. Q., Nonlinear vibration of a slightly curved beam with quasi-zero-stiffness isolators, Nonlinear Dynamics, 95, 2367–2382. https://doi.org/10.1007/s11071-018-4697-9 (2019).
Huang, X., Liu, X. & Hua, H., On the characteristics of an ultra-low frequency nonlinear isolator using sliding beam as negative stiffness, Journal of Mechanical Science and Technology, 28, 813–822. https://doi.org/10.1007/s12206-013-1205-5 (2014).
Fulcher, B. A., Shahan, D. W., Haberman, M. R., Seepersad, C. C. & Wilson, P. S., Analytical and experimental investigation of buckled beams as negative stiffness elements for passive vibration and shock isolation systems, Journal of Vibration and Acoustics, ASME, https://doi.org/10.1115/1.4026888 (2014).
Liu, C. & Yu, K., Accurate modeling and analysis of a typical nonlinear vibration isolator with quasi-zero stiffness, Nonlinear Dynamics, 100, 2141–2165. https://doi.org/10.1007/s11071-020-05642-2 (2020).
Kovacic, I., Brennan, M. J. & Waters, T. P., A study of a nonlinear vibration isolator with a quasi-zero stiffness characteristic, Journal of Sound and Vibration, 315, 700–711. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2007.12.019 (2008).
Bouna, H. S., Nbendjo, B. R. N. & Woafo, P., Isolation performance of a quasi-zero stiffness isolator in vibration isolation of a multi-span continuous beam bridge under pier base vibrating excitation, Nonlinear Dynamics, 100, 1125–1141. https://doi.org/10.1007/s11071-020-05580-z (2020).
Liu, C. & Yu, K., Design and experimental study of a quasi-zero-stiffness vibration isolator incorporating transverse groove springs, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 20, 67. https://doi.org/10.1007/s43452-020-00069-3 (2020).
Che K, Yuan C, Wu J, Jerry Qi H, Meaud J., Three-dimensional-printed multistable mechanical metamaterials with a deterministic deformation sequence, Journal of Applied Mechanics, 2017; 84(1).
Izard AG, Alfonso RF, McKnight G, Valdevit L., Optimal design of a cellular material encompassing negative stiffness elements for unique combinations of stiffness and elastic hysteresis, Materials Design, 2017; 135:37–50.
Ren C, Yang D, Qin H., Mechanical performance of multidirectional buckling-based negative stiffness metamaterials: an analytical and numerical study, Materials, 2018; 11(7):1078.
Yang H, Ma L., Multi-stable mechanical metamaterials by elastic buckling instability, Journal of Materials Science, 2019; 54(4):3509–26.
Tan X, Chen S, Zhu S, Wang B, Xu P, Yao K, et al., Reusable metamaterial via inelastic instability for energy absorption, International Journal of Mechanical Sciences, 2019; 155:509–17.
Ha CS, Lakes RS, Plesha ME., Design, fabrication, and analysis of lattice exhibiting energy absorption via snap-through behavior, Materials Design, 2018; 141:426–37.
Tan X, Wang B, Chen S, Zhu S, Sun Y., A novel cylindrical negative stiffness structure for shock isolation, Composite Structures, 2019; 214:397–405.
