Page 101 - 《振动工程学报》2026年第3期

第 3 期 黄兴保，等：可调双稳态阵列式非线性吸振器的俘能与减振性能优化研究 701

图。可以看出，通过两种优化目标获得的最优质量
比的差别较小，最优质量比均在弱脉冲激励且势能
势垒较大时取较大值，约为 0.025。且当长度比在
0.85~0.95 之 间 时 ，质 量 比 为 0.016 的 EC⁃DVA 单
元仍然可以实现较小的剩余动能比目标。图 13 给
出了主系统剩余动能比 η k 与冲击速度 v 0 和长度比 σ
的等值线图。由图 13 中可以看出 ，随着质量比的
增大，非线性振子由单稳态过渡到双稳态，此时主
系统剩余动能比减小；从图 13（c）中可以明显看到，
当长度比大于 0.6 时，系统在宽范围冲击下均能达
到很好的冲击能量吸收效率，即可以选择质量比为
0.025 的 EC⁃DVA 单 元 ，将 长 度 比 调 节 到 0.6~1.0
之 间 即 可 ，无 需 对 不 同 环 境 冲 击 输 入 进 行 实 时 调
整，这就使得阵列式 EC⁃DVAs 具有很好的鲁棒性。
图 11 单脉冲激励能量转化效率 η h 与冲击速度 v 0 和长度比 σ
图 13（d）给 出 了 基 于 质 量 比 的 主 系 统 最 优 剩 余 动
的等值线图
能比的等高线分布图，与图 13（c）相比，可以明显看
Fig. 11 Contour plots of single pulse excitation energy
出，通过优化单元质量比能显著降低主系统在宽幅
conversion efficiency η h with impact velocity v 0
and length ratio σ 冲 击 下 的 剩 余 动 能 ，且 长 度 比 的 可 调 范 围 明 显 增
大 。 图 13（d）的 结 果 与 图 11（d）具 有 较 好 的 一 致
以看出，当系统的势能势垒较大（长度比较小）时，增 性，因此，可以选择能量收集效率为优化目标，通过
大质量比可以显著提高能源转换效率，并且发现，随 优化单元质量比，可以同时实现最优能量转化效率
着质量比的增大，长度比较小的双稳态机制中的非 和最优冲击能量吸收效率，使得系统具有较强的抗
线性振子在较大冲击速度下的能量收集效率显著提 冲击鲁棒性。
高。由图 11（b）可以很清楚地看到，当长度比大于
0.8 时，非线性振子 EC⁃DVA 可以在宽幅冲击下具
有显著的能量转化效率，而此时的综合质量比 μN
仅 有 0.05。 图 11（d）给 出 了 基 于 质 量 比 优 化 后 的
能量收集效率，能够清晰地发现，通过选取最优的
质 量 比 ，可 在 宽 幅 冲 击 条 件 以 及 宽 范 围 长 度 比 的
情 况 下 实 现 最 大 的 能 量 收 集 效 率 。 因 此 ，对 于 复
杂 多 变 的 振 动 冲 击 环 境 ，通 过 半 主 动 控 制 算 法 调
整 振 子 质 量 ，可 以 提 升 主 系 统 抗 冲 击 稳 定 性 和 鲁
棒性。
图 12 为获得最小剩余动能比时质量比的分布

图 13 主 系 统 剩 余 动 能 比 η k 与 冲 击 速 度 v 0 和 长 度 比 σ 的
等值线图
Fig. 13 Contour plots of main system residual kinetic energy
ratio η k with impact velocity v 0 and length ratio σ

3. 2 基 于 单 元 数 量 的 最 优 能 量 转 化 和 振 动 抑 制
性能
图 12 最小剩余动能比时质量比的分布图
Fig. 12 Mass ratio distribution for minimum residual kinetic 在本节中，优化策略是根据环境输入能量的变
energy ratio 化，通过调节 EC⁃DVA 单元数量，来得到期望的目