第1章 绪论

1.1 概述

航空航天运载工具、大型舰船、高速列车、大型盾构机、百万千瓦大型发电机组、成套集成电路生产线等重大装备，是国家工业发展和国防建设的命脉，是衡量国家工业发展水平的重要标志。“十四五”以来，我国已经建立了国家太空实验室天宫空间站，极大提高了我国科技水平。随着大型空间装备与结构的功能化与复杂化，要求其具备大型化与轻量化的特征，致使其固有频率低、模态密度大。在随火箭发射产生的瞬态振动、类周期振动及随机振动（频率范围可达0～10000Hz）及在轨动力传动装置长时间工作产生的周期或准周期性激励下，如姿态控制执行机构（飞轮、控制力陀螺）和驱动机构（太阳能帆板驱动机构、卫星天线指向驱动机构）[1]，所产生的低频与宽频振动响应突出，衰减速度慢，导致故障易发生、服役可靠性差，严重制约航天器的性能提升。因此，航天结构所面临的低频振动是航天结构设计中的瓶颈，亟须发展新型减振与抑振理论和方法，为航天器“高精、超稳及超静”可靠运行提供基础理论和技术支撑，相关成果可以扩展到航空、舰船、高端装备、仪器与机械工程等领域，对于推动机械动力学学科和国民经济、社会的发展具有重要的意义。

目前，隔振方法广泛应用于航天结构振动的抑制，主要有线性隔振和非线性隔振两类。线性隔振简单易行、成本低，可有效隔离大部分振动，目前应用最为广泛。例如，NASA采用CSA公司的Softride Uniflex隔振器对QuickTOMS和OrbView 4任务进行了整星隔振。Honeywell公司为哈勃太空望远镜设计了被动隔振系统以抑制反作用飞轮的扰振。VISS是世界上第一个进行空间试验的在轨隔振系统，2005年某一小型中波段红外望远镜采用VISS进行隔振。NASA和Boeing公司联合开发了PaRIS被动隔振系统，主要依靠空气阻尼弹簧减振器实现隔振。尽管线性隔振有自身的优点，但其工作频带受限于支撑刚度和负载质量，较宽频带隔振能力需较小刚度，导致系统位移响应过大，影响刚度和支撑能力。增大隔振系统阻尼可以提高共振区的振动抑制水平，但同时也会增大隔振区的响应，降低高频隔振效果导致工频恶化。

近年来，将有益非线性引入隔振系统拓宽工作频带并提升隔振性能已经成为低频隔振领域的研究热点[2]，主要利用几何非线性构建等效负刚度，实现准零刚度隔振[3-7]。非线性隔振具有高静刚度、低动刚度（简称高静低动刚度）特性[4]，可以降低共振频率，拓宽隔振带宽，提高隔振性能。非线性隔振器主要包括非线性刚度隔振器和非线性阻尼隔振器两类。一种典型的非线性刚度隔振器是准零刚度隔振器，可采用三根弹簧实现，即由两根水平（或斜拉[3]）弹簧和一根垂直弹簧构成，其中，两根水平或斜拉弹簧用于构建等效负刚度。国内外学者系统建立了“三弹簧”准零刚度隔振器的理论模型[4,7]，优化了弹簧构型以实现任意刚度的调节[8]，研究了Euler屈曲梁式[9]与凸轮滚子式[10]“三弹簧”准零刚度隔振器的隔振性能，并将其应用于六自由度隔振平台，取得了较好的隔振效果[11,12]。此外，基于几何非线性隔振，国内外研究人员也开展了X型仿生隔振结构的创新设计及隔振机理研究[13-15]，证明了通过仿生结构设计可获得极为理想的隔振效果[16]。

永磁力是一种强非线性力，具有响应速度快、非接触无磨损、可控性好等优点，是一种理想的设计永磁准零刚度隔振器的方式。例如，三个相斥的永磁体可实现等效磁负刚度，降低系统的固有频率[17]。Robertson等[18]设计了一种磁悬浮式准零刚度隔振器，蒲华燕等[19]设计了一种多层电磁负刚度隔振器，通过电流调控负刚度以实现隔振频带的调节。Wang等[20]基于环形永磁体和线圈设计了一种可用于新生儿推车的准零刚度隔振器，可在2Hz开始隔振。以上研究表明，电磁耦合结构可以设计非线性准零刚度隔振器，实现低频隔振。电磁结构的阻尼和控制系统可设计性强，因而具有较好的工程应用前景。

作者所在课题组多年来在磁刚度非线性隔振所涉及的原理与方法、动力学分析与阻尼调控等方面开展了深入研究，取得了一批原创性成果，有关理论、方法和规律性的认识形成了低频磁刚度非线性隔振理论与方法体系。本书旨在通过对低频磁刚度非线性隔振方法的综合探讨，引起研究人员对低频非线性隔振理论、磁刚度隔振结构设计与阻尼调控技术的兴趣与重视。通过对非线性隔振新理论、新原理与新方法的研究，促进磁刚度非线性隔振技术的发展，并推动其走向工程应用。