Page 125 - 《振动工程学报》2025年第11期

第 11 期 柴 凯，等：连杆铰链型非线性能量阱设计及试验研究 2583

会使系统新增 2 个固定共振频率点，而耦合非线性 加速度传感器
能量阱后则不存在该现象，因此在宽频区间内，非线 NES装置
性能量阱具有相对优越的抑振性能。 加速度传感器 配重质量块×4
安装板
将本结构对比其他构型的非线性能量阱，如双 隔振器×4
稳态型 [7, 9] 、碰撞型 [18] 、轨道型 ，连杆铰链型结构具 电磁惯性质
[8]
量作动器 刚性基座
备以下特点：
（1）适用于船舶设备振动中的垂向振动控制。
(a) 示意图
传统的非线性能量收集装置通常仅限于水平振动控 (a) Schematic diagram
制。连杆铰接 NES 克服了这一局限，通过重力补偿
实现了垂直振动控制；
（2）独特的预压力调节机构和螺旋弹簧高度调
节机构，实现了对等效线性刚度（用于重力补偿）和
等效立方/负刚度（用于非线性吸振）的便捷调节。

3 试 验 研 究

3.1 试验台架设计 (b) 实物图
(b) Physical diagram

图 6 为非线性能量阱原理样机装配图，它主要 图 7 模拟负载试验台架方案
由连杆及铰链机构、水平弹簧、垂向线性弹簧和轴 Fig. 7 Simulated load test bench scheme
向预紧力调节机构组成。 的配重块和 0.95 kg 的辅助支撑结构。激励源为电磁

加速度传感器 惯性质量作动器，保持输入电压不变，步长为 1 Hz，
预压弹簧 测试频率范围为 10~200 Hz。每次激励频率变化后，
电磁阻尼装置 垂直平衡弹簧
控制器根据加速度传感器数据，自适应调节步进电
机压缩水平弹簧，保持 NES 始终处于最优工作状态。

铰链
3.2 试验结果分析

步进电机
刚性连杆 施加 10 和 20 Hz 线谱激励时，通过步进电机调
节水平弹簧拉压量，并依据跟踪平台加速度与 NES
相对加速度的相位差实现自适应调节。与未装 NES
的平台相比，NES 对两根线谱的减振效果如图 8 所
示。10 和 20 Hz 特征线谱的振动加速度级分别衰减
加速度传感器 8.3 和 7.1 dB，表明 NES 在低频段（8~20 Hz）具有稳定

图 6 非线性能量阱原理样机装配图 性能，原因是低频段能量主要通过线性刚度元件传
递，立方刚度尚未完全激活，但仍通过靶能量传递实
Fig. 6 Assembly diagram of nonlinear energy sink principle
prototype 现有效能量耗散。

试验平台基于模块化设计理念，构建了涵盖激 0.045
0.040 未控制
励源、传感系统、控制单元和数据采集系统的综合 0.035 控制
测试体系如图 7(a) 所示，用于对连杆铰链型非线性 0.030
0.025
能量阱的动力学特性展开试验研究。模拟试验台架 加速度 / (m·s −2 ) 0.020
如图 7(b) 所示，主要由以下部分组成：作为激励源的 0.015
0.010
电磁惯性质量作动器；2 个加速度传感器，分别置于 0.005
安装板和 NES 装置；模拟控制对象的质量由惯性质 0 10 1 10 2
量 作 动 器、 安 装 板 和 配 重 3 部 分 质 量 共 同 构 成 ； 频率 / Hz
NES 装置；控制器以及数据采集系统。 图 8 10 和 20 Hz 的线谱测试结果
试验台架借助 4 个螺旋弹簧实现单层隔振，平台由 Fig. 8 Line spectrum test results at 10 and 20 Hz
质量为 28 kg 的面包板、20 kg 的辅助配重以及 16 kg 的 施加 10 和 43 Hz 的线谱激励，通过步进电机调
激振器构成。非线性能量阱样机则包含质量为 1.93 kg 节 水 平 弹 簧 拉 压 量， 通 过 跟 踪 平 台 加 速 度 与 NES