Page 121 - 《振动工程学报》2025年第11期

第 38 卷第 11 期 振 动 工 程 学 报 Vol. 38 No. 11
2025 年 11 月 Journal of Vibration Engineering Nov. 2025

连 杆 铰 链 型 非 线 性 能 量 阱 设 计 及 试 验 研 究

柴 凯 ， 初嘉文 ， 楼京俊 ， 杨庆超 1
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（1. 海军工程大学舰船与海洋学院，湖北 武汉 430033； 2. 海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033）

摘要：针对船用线性吸振器在低频段减振效能不足、环境适应性较差及工作频带较窄等难题，设计了一种连杆铰链型非线性
能量阱装置用于船舶机械设备宽频线谱控制。阐述了该非线性能量阱样机的设计原理，通过力学建模推导了系统的运动微
分方程，确定了实现本质非线性刚度的参数约束条件；对耦合非线性能量阱的系统进行建模，运用增量谐波平衡法分析其动
力学特性，并与等效线性吸振器的吸振效果进行对比；搭建模拟试验台架开展试验研究。试验表明该非线性能量阱在 8~22 Hz
频段内吸振效果可达 6 dB 以上，为船舶振动控制提供了技术方案，对提升船舶声隐身性能具有重要意义。
关键词： 船舶振动控制；非线性能量阱；连杆铰链；动力学特性；增量谐波平衡法；吸振效果
中图分类号：TB535；O322 文献标志码：A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202504052

Design and experimental study of connecting rod hinge type nonlinear energy sink

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CHAI Kai ，CHU Jiawen ，LOU Jingjun ，YANG Qingchao 1
（1.College of Naval Architecture and Ocean，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；
2.College of Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）
Abstract： To address the shortcomings of marine linear vibration absorbers —including inadequate low-frequency vibration reduction
performance，limited environmental adaptability，and narrow operating bandwidth—a connecting-rod-hinged nonlinear energy sink (NES)
was designed for broadband line spectrum control in marine mechanical equipment. The design principles of the NES prototype were
elaborated，and its differential equation of motion was derived, with the conditions for achieving essential nonlinear stiffness established. The
coupled NES system was modeled， and its dynamic characteristics were analyzed via the incremental harmonic balance method， with
comparisons drawn to an equivalent linear vibration absorber. A simulation test bench was constructed for experimental validation. Results
demonstrate that the NES achieves vibration reduction exceeding 6 dB within the 8~22 Hz frequency band，offering a technical approach for
marine vibration control and significantly enhancing ship acoustic stealth performance.

Keywords：vibration control of ships； nonlinear energy sink (NES)； connecting rod hinge； dynamic characteristics； incremental harmonic
balance (IHB) method ；vibration absorption effect

机械振动是工程领域普遍存在的物理现象，在 励变化时鲁棒性较差。若在线性吸振器中引入非线
航空航天装备、船舶动力系统、高速轨道交通等大 性因素，能够有效拓宽吸振频带且不出现新的共振
型机械装备中表现得尤为突出，绝大多数情况下会 峰 。非线性能量阱（nonlinear energy sink，NES）通过
[2]
对系统产生危害，因此进行有效的振动抑制是非常 引入本质非线性刚度元件，突破传统线性系统的固
必要的 。在确定的振动系统中，抑制结构振动的策 有频率限制，可实现对主系统多频线谱能量的俘获，
[1]
略通常有两种：隔振，即在基础与振子间设置隔振装 不同频率的共振俘获导致能量像“泵”一样从主系统
置抑制振动传递；吸振，则是在振动主结构上附加子 吸收且被局部耗散，这种单向传递能量现象称为靶
系统吸收并抑制振动。 能量传递（targeted energy transfer，TET），从而实现宽

[3]
目前船舶液压泵、辅冷泵以及多台共用隔振浮 频减振 。
筏等设备上大量安装有基于线性理论的动力吸振 在靶能量传递上，KOPIDAKIS 等 [4] 首次在非线
器，其原理简单、鲁棒性好，应用较为广泛，但也存 性系统中观察到该现象；GENDELMAN 等 [5] 探讨了
在如下不足：吸振频率固定且工作带宽极窄，外界激 初始输入能量对弱耦合非线性系统能量传递的影

收稿日期：2025-04-28；修订日期：2025-07-11
基金项目：国家自然科学基金资助项目（52471354，52201389）