基于磁荷叠加增强的磁扭负刚度低频隔振研究

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32160

固体力学与飞行器总体设计

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基于磁荷叠加增强的磁扭负刚度低频隔振研究

董光旭¹(), 施永伟¹, 罗亚军², 张希农², 陈恩伟¹, 魏浩征¹, 陈品¹

^1.合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009
^2.西安交通大学航天航空学院，西安 710049

收稿日期:2025-04-25 修回日期:2025-06-26 接受日期:2025-07-01 出版日期:2025-07-21 发布日期:2025-07-15
通讯作者: 董光旭 E-mail:d865290612@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(12002114)

Low-frequency vibration isolation of magnetic torsional negative stiffness using magnetic charge superposition enhancement

Guangxu DONG¹(), Yongwei SHI¹, Yajun LUO², Xinong ZHANG², Enwei CHEN¹, Haozheng WEI¹, Pin CHEN¹

^1.School of Mechanical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China
^2.School of Aerospace Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China

Received:2025-04-25 Revised:2025-06-26 Accepted:2025-07-01 Online:2025-07-21 Published:2025-07-15
Contact: Guangxu DONG E-mail:d865290612@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12002114)

摘要/Abstract

摘要：

低频扭转振动不仅会降低轴系结构的动力传输效率，还会严重威胁轴系结构的安全运行，成为低频振动控制领域中的研究热点。针对当前应用于轴系结构低频隔振的负刚度机构存在强非线性、负刚度小的问题，基于磁荷叠加原理提出一种高磁扭负刚度扭转隔振器设计方法。通过将沿环向磁化的磁瓦按磁荷叠加方式布置获取的高磁扭负刚度弹簧（High Magnetic Torsional Negative Stiffness Spring， HMTS）与平面涡卷扭簧并联开展轴系结构的低频扭振隔离特性分析，采用磁荷模型建立高磁扭负刚度弹簧的扭矩、磁扭负刚度理论模型，结合COMSOL有限元软件对比研究高磁扭负刚度弹簧与传统磁负刚度弹簧的扭转负刚度特性，利用Ansys Workbench仿真分析平面涡卷弹簧的力学性能，建立隔振系统的动力学模型，通过谐波平衡法仿真研究隔振系统的低频扭振隔离性能，制备并测试高磁扭负刚度扭转隔振器的扭转隔振性能。结果表明：基于磁荷叠加增强的高磁扭负刚度较传统磁负刚度具有高出近1倍的负刚度数值，显著拓宽了轴系扭转振动的低频隔振带宽。

关键词: 低频扭转振动, 磁扭负刚度, 磁荷叠加, 隔振

Abstract:

The low-frequency torsional vibration， which can not only reduce the power transmission efficiency of the shaft structures， but also threaten the operation safety of them， has been the research hotspot in the field of low-frequency vibration control. As the existing negative stiffness mechanism employed for low-frequency torsional isolation in shafts suffers from the strong nonlinearity and low negative stiffness， the design method of torsional vibration isolator with high magnetic torsional negative stiffness is proposed via magnetic charge superposition. The high magnetic torsional negative stiffness composed of tiles magnetized circumferentially is connected with plane spiral spring in parallel to analyze the low-frequency torsional isolation performance of the shaft structures. Referring to the magnetic charge model， the nonlinear torque and torsional negative stiffness of the High Magnetic Torsional negative Stiffness spring （HMTS） are derived， and then demonstrated via the numerical simulation of COMSOL finite element software in comparison with that of the traditional magnetic negative stiffness array. Besides that， the mechanical properties of plane spiral spring are also investigated using Ansys Workbench. With the effects of above analysis， the governing equations of the proposed isolator can be established， and relevant low-frequency isolation performance is studied with harmonic balance approach. A test rig of the isolator is set up to determine its low-frequency torsional isolation performance. The results show that the magnitude of high magnetic torsional negative stiffness spring is twice as high as that of the traditional magnetic negative stiffness ones， which can significantly broaden the isolation bandwidth as well.

Key words: low-frequency torsional vibration, magnetic torsional negative stiffness, magnetic charge superposition, vibration isolation

中图分类号:

V214

董光旭, 施永伟, 罗亚军, 张希农, 陈恩伟, 魏浩征, 陈品. 基于磁荷叠加增强的磁扭负刚度低频隔振研究[J]. 航空学报, 2026, 47(2): 232160.

Guangxu DONG, Yongwei SHI, Yajun LUO, Xinong ZHANG, Enwei CHEN, Haozheng WEI, Pin CHEN. Low-frequency vibration isolation of magnetic torsional negative stiffness using magnetic charge superposition enhancement[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(2): 232160.

图/表 36

图 1

图 2

图 3

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表1

图 10

表 2

图 11

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表 5

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图 27

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参考文献 25

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

弹簧	k₁/［（N·m）·rad^-1］	k₃/［（N·m）·rad^-3］	k₅/［（N·m）·rad^-5］	k₇/［（N·m）·rad^-7］
HMTS1	-99.4	1 470.0	1 661	-2.834×10⁴
HMTS2	-66.0	967.3	1 277	-1.958×10⁴
HMTS3	-99.5	3 746.0	-5.845×10⁴	3.684×10⁵

阵列	k₁/［（N·m）·rad^-1］	k₃/［（N·m）·rad^-3］	k₅/［（N·m）·rad^-5］	k₇/［（N·m）·rad^-7］
磁荷叠加阵列-sup	-99.4	1 470	1 661	-2.834×10⁴
传统阵列-tra	-29.6	1 998	-1.897×10⁴	3.794×10⁴

参数	数值
螺旋杆长度L/mm	255.84
螺旋杆宽度b/mm	6.5
螺旋杆厚度h/mm	3.0

试验装置	材料
输入轴	铝合金
输出轴
隔振器框架
隔振实验平台
瓦形磁体	N52
平面涡卷弹簧	铍青铜
负载	不锈钢

参数	数值
内磁瓦内半径/mm	12
内磁瓦外半径/mm	24
内磁瓦角度/（°）	22
内磁瓦高度/mm	35
外磁瓦1内半径/mm	28
外磁瓦2内半径/mm	28
外磁瓦1外半径/mm	41
外磁瓦2外半径/mm	41
外磁瓦1角度/（°）	14
外磁瓦2角度/（°）	28
外磁瓦1高度/mm	35
外磁瓦2高度/mm	35
磁体剩磁强度/T	1.43
平面涡卷扭簧杆长/mm	255.84
平面涡卷扭簧杆宽/mm	6.5
平面涡卷扭簧杆厚/mm	2.1
负载转动惯量/（kg·m²）	0.013 7

基于磁荷叠加增强的磁扭负刚度低频隔振研究

Low-frequency vibration isolation of magnetic torsional negative stiffness using magnetic charge superposition enhancement

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参数	HMTS1	HMTS2	HMTS3
r/mm	12	12	12
l₁/mm	12	12	12
gap/mm	4	4	3
l₂/mm	13	13	13
α/（°）	22	22	14
β/（°）	14	14	14
h₁/mm	35	25	33
h₂/mm	35	25	33

阵列	k₁/［（N·m）·rad^-1］	k₃ /［（N·m）·rad^-3］	k₅/［（N·m）·rad^-5］	k₇/［（N·m）·rad^-7］
阵列1	-27.59	1 080.0	-4.901×10⁴	-6.505×10⁵
阵列2	-25.97	342.5	-3 455	5 642
阵列3	-20.24	268.5	-3 311	9.153×10⁵
阵列4	-32.34	199.6	688.4	1.558×10⁴
阵列5	-24.11	594.4	5.563×10⁴	1.061×10⁶
阵列6	-37.03	196.1	2.067×10⁴	-3.147×10⁵
阵列7	-54.57	593.8	-8 400	-281.8

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