Page 67 - 《振动工程学报》2026年第3期

第 3 期 刘庆生，等： 星载飞轮用双稳态抑振俘能一体化装置动力学特性研究 667

根据能量转换方式，能量收集技术主要包括静 载飞轮⁃双稳态抑振俘能一体化装置耦合动力学模
［6］
电式 、电磁式 ［7⁃8］ 和压电式 ［9⁃10］ 。其中，静电式需要 型。采用四阶龙格⁃库塔法对双稳态抑振俘能一体
外接电源；电磁式结构复杂，受磁场影响较大，且不 化装置在主动发射段和在轨工作段的抑振性能及能
易集成化；压电式能量收集技术由于其结构简单，适 量收集效果进行研究。
应性好，受到国内外学者的广泛关注。DAVIS 等 ［11］
通过试验证明屈曲梁粘贴压电薄膜可同时实现振动 1 结构方案
抑制和能量收集。LU 等 ［12］ 在 Stewart 平台支腿上
引入压电能量收集器，在提高隔振效率的同时，实现 基于前期研究工作 ［21⁃23］ ，本文提出的双稳态抑
了微振动能量收集。其他压电式抑振俘能一体化装 振俘能一体化装置结构方案如图 1 所示。通过将一
置还包括压电式悬臂梁吸振器 ［13］ 、压电式屈曲梁准 体化装置固定在飞轮安装支架上，保证其与飞轮处
零刚度隔振器 ［14］ 、压电式非线性吸振器 ［15⁃16］ 等。 于同一安装面，进而实现振动抑制，如图 1（a）所示。
在现有一体化装置中，线性减隔振技术抑振频 同时，如图 1（b）所示，一体化装置机械部分主要由
带窄，能量收集效率低，而非线性减隔振技术能够实 配重块、屈曲梁、中间楔块、V 型楔块、安装支座、安
现宽频抑振。其中，非线性能量阱（nonlinear energy 装底板、支撑弹簧、蝶形螺母、螺杆、调节螺钉等组
sink，NES）依靠靶能量传递机制将振动能量单向快 成。屈曲梁两端通过楔块约束，实现无摩擦铰接；螺
速传递，更有利于实现宽频能量收集。NILI 等 ［17］ 针 杆穿过两侧安装支座，并通过蝶形螺母固定，调节螺
对压电元件安装位置对非线性能量阱减振性能及能 钉未锁紧时可以在支座底部滑槽内移动；通过转动
量收集效果的影响展开研究。LI 等 ［18］ 发现压电式 蝶形螺母以及改变调节螺钉的位置，可以实现屈曲
本质非线性能量阱受特定激励振幅和非线性刚度影 梁初始挠度和角度的变化；整体结构通过螺纹连接
响 ，耦 合 系 统 会 发 生 靶 向 能 量 传 递 现 象 。 XIONG 关系固定在安装底板上。
等 ［19］ 通过对附加电阻压电式非线性能量阱的研究，
揭示了机电耦合系数对其非线性动力学特性的影响
机制。ZHANG 等 ［20］ 将悬臂梁式压电能量收集器与
永磁式非线性能量阱结合，对两自由度机翼颤振进
行抑制。
基于非线性能量阱的一体化装置能够实现宽频
抑振和高效能量收集。然而，受靶能量阈值特征影
响，只有当外界激励能量达到其触发阈值时，非线性
能量阱才能实现高效工作。但是，在轨工作阶段，星
载飞轮输出扰振呈现微幅宽频特征，其激励能量较
小。因此，降低非线性能量阱发生靶能量传递的触
发阈值，提高其受微幅宽频扰振影响的抑振性能意
义重大。相比于单稳态结构，双稳态或多稳态结构
因其可实现稳定点之间非线性跳动，可进一步降低
图 1 结构方案示意图
非线性能量阱发生靶能量传递的触发阈值，提高其
Fig. 1 Structural schematic diagram
受微幅扰振的工作性能。
此外，星载飞轮从地面发射到入轨工作将经历
宽频变幅激励。已有针对星载飞轮的抑振研究，其 2 模型建立
主要考虑在轨段输出微振动的抑制及能量收集，但
鲜有面向主动发射段大量级激励的研究。 双稳态抑振俘能一体化装置由欧拉屈曲梁非线
综上，本文基于压电型欧拉屈曲梁非线性能量 性能量阱（对应图 1（b）结构方案）、压电薄膜及换能

阱（piezoelectric Euler⁃buckled beams nonlinear ener⁃ 电路构成，如图 2 所示。图 2（a）为理论模型，其中，
gy sink， PEBNES）提出一种双稳态抑振俘能一体 m NES 为欧拉屈曲梁非线性能量阱的惯性质量；y NES 为
化装置（B⁃PEBNES），通过在欧拉屈曲梁表面粘贴 非线性能量阱惯性质量垂向位移；k 1 为线性刚度项

压电薄膜，结合标准能量收集电路，实现一体化装置 系数；k 3 为立方刚度项系数 ［22⁃23］ ；k L 为弹性支撑刚度；
单/双稳态间的转变。分别建立有/无重力场对应星 c NES 为阻尼系数。