本發(fā)明提供一類零(微)重力懸浮裝置，涉及包括空間航天器對(duì)接、大型柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試及航天員訓(xùn)練等在內(nèi)的一系列零(微)重力環(huán)境地面模擬實(shí)驗(yàn)以及低頻、超低頻(低至零頻)隔振等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

國(guó)際上零(微)重力地面模擬實(shí)驗(yàn)方法主要有水浮、氣浮和懸吊等。水浮法雖然可以模擬空間零(微)重力環(huán)境，但航天員必須穿著航天服，其設(shè)備需進(jìn)行防水處理，因而造價(jià)昂貴。氣浮法只能實(shí)現(xiàn)二維平動(dòng)及一維轉(zhuǎn)動(dòng)，不能滿足空間零(微)重力環(huán)境的要求。懸吊法具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地空間大以及設(shè)備與懸吊系統(tǒng)存在耦合振動(dòng)，同樣無法實(shí)現(xiàn)零(微)重力環(huán)境。

上述方法均可歸結(jié)為一類本質(zhì)為(其中為豎直方向加速度，為系統(tǒng)的固有頻率，m與k分別為被懸浮物體質(zhì)量與系統(tǒng)支撐剛度)的無量綱振動(dòng)系統(tǒng)，無論固有頻率ω₀多么小，均難以實(shí)現(xiàn)空間零(微)重力環(huán)境的地面模擬。

空間零(微)重力環(huán)境的地面模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)質(zhì)上是將被模擬試件與基礎(chǔ)環(huán)境的振動(dòng)隔離問題，而傳統(tǒng)方法僅當(dāng)基礎(chǔ)環(huán)境頻率時(shí)才實(shí)現(xiàn)隔振，因而傳統(tǒng)方法不能模擬空間零(微)重力環(huán)境；

為減小線性系統(tǒng)固有頻率ω₀，近年來出現(xiàn)了一類準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)，其無量綱動(dòng)力學(xué)方程可以歸結(jié)為該系統(tǒng)僅當(dāng)基礎(chǔ)環(huán)境頻率時(shí)才具有隔振性能，因而同樣無法精確模擬零(微)重力環(huán)境。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是構(gòu)建一類基于幾何非線性特征的一類具有零頻隔振特征的零(微)重力懸浮方法及裝置，以解決低頻、超低頻(低至0頻)隔振與空間零(微)重力環(huán)境的地面模擬等一類技術(shù)難題。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：

一類具有零頻隔振特征的零(微)重力懸浮方法，所述方法是構(gòu)建一類具有零固有頻率滿足或的懸浮系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)的低頻、超低頻低至零頻的隔振性能，用以實(shí)現(xiàn)空間零重力或微重力環(huán)境的地面模擬；其中|ε|＞0為一足夠小可調(diào)常量，為豎直方向加速度；

懸浮系統(tǒng)是通過對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的幾何參數(shù)b和c的調(diào)節(jié)獲得的；

懸浮系統(tǒng)是通過對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的幾何參數(shù)b和c的調(diào)節(jié)獲得的。

一類基于上述方法的具有全頻段隔振特征的零(微)重力懸浮裝置，所述裝置包括豎直彈簧、連桿機(jī)構(gòu)以及至少一個(gè)水平拉簧，被懸浮物體與豎直彈簧的上端連接，在連桿機(jī)構(gòu)和至少一個(gè)水平拉簧的作用下，被懸浮物體沿豎直彈簧在垂直方向運(yùn)動(dòng)；

利用所述裝置幾何非線性的負(fù)剛度特征與所述裝置幾何參數(shù)的可調(diào)性，經(jīng)幾何非線性參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)在所述裝置設(shè)計(jì)范圍內(nèi)使被懸浮物體處于懸浮狀態(tài)；

被懸浮物體在垂直方向處于某一位置時(shí)，所述裝置將始終為被懸浮物體提供一支持力，該支持力能抵消或者接近質(zhì)量塊的重力，使得質(zhì)量塊處處受力平衡或接近平衡，呈現(xiàn)出一種“懸浮”或微重力狀態(tài)，用于模擬太空中零重力或微重力環(huán)境。

具體地，所述懸浮裝置為彈簧-連桿-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)零重力或微重力懸浮裝置，所述懸浮裝置包括兩個(gè)水平拉簧、兩個(gè)連桿、豎直彈簧和豎直光桿，被懸浮物體(中間質(zhì)量塊、中間浮子)與豎直彈簧的上端連接，中間質(zhì)量塊在兩側(cè)連桿的作用下沿豎直光桿上下滑動(dòng)；每個(gè)連桿的一端與水平拉簧的一端鉸接，每個(gè)連桿的另一端與被懸浮物體鉸接；

每個(gè)水平拉簧的所述一端能沿相應(yīng)端的水平導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，水平拉簧的另一端固定；豎直彈簧的下端固定，兩個(gè)水平導(dǎo)軌處于同一水平線上；被懸浮物體的質(zhì)量為m，每個(gè)連桿的長(zhǎng)度為l，水平拉簧1與豎直彈簧的剛度分別為k₁、k₂，每個(gè)水平拉簧原長(zhǎng)時(shí)其自由端距豎直光桿的距離為B；

初始狀態(tài)時(shí)，壓縮豎直彈簧至某一距離δ₀，使得被懸浮物體與兩個(gè)桿件處于同一水平面；當(dāng)中間質(zhì)量塊向上運(yùn)動(dòng)到某一距離Y時(shí)，被懸浮物體受力為：

當(dāng)B＝0,k₂＝2k₁時(shí)，有

F＝k₂δ₀-mg

從上式看出，調(diào)節(jié)初始狀態(tài)時(shí)豎直彈簧的壓縮量δ₀，可以使得或

其中為豎直方向加速度，|ε|＞0為一足夠小常量；

即水平拉簧原長(zhǎng)時(shí)其自由端距豎直光桿的距離為0，且豎直彈簧剛度是水平彈簧剛度的2倍時(shí)，中間質(zhì)量塊所受重力與系統(tǒng)所給其提供的支持力恰好互相抵消或?yàn)橐晃⑿『懔Γ毁|(zhì)量塊在處于–l＜Y＜l時(shí)，系統(tǒng)將始終為中間質(zhì)量塊提供一支持力，該支持力能抵消或者接近質(zhì)量塊的重力，使得質(zhì)量塊處處受力平衡或接近平衡，呈現(xiàn)出一種懸浮或微重力狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)模擬太空中零重力或微重力環(huán)境。

具體地，所述懸浮裝置為彈簧-滾子-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)零重力或微重力懸浮裝置，所述懸浮裝置包括水平拉簧、兩個(gè)滾輪、豎直彈簧和兩個(gè)支架，

被懸浮物體(中間質(zhì)量塊、中間浮子)與豎直彈簧的上端連接，在位于被懸浮物體兩側(cè)的滾輪的作用下沿豎直方向運(yùn)動(dòng)；每個(gè)滾輪鉸接在對(duì)應(yīng)的一個(gè)支架的上端，支架的下端與導(dǎo)軌構(gòu)成滑動(dòng)副，

兩個(gè)滾輪的中心由水平拉簧相連，支架能在水平方向沿導(dǎo)軌左右滑動(dòng)，從而改變兩個(gè)滾輪之間的距離；

被懸浮物體的質(zhì)量為m，其兩端邊緣為半徑為R的半圓弧，半圓弧圓心距離為L(zhǎng)′；每個(gè)半徑為r的滾輪與相應(yīng)端的半圓弧無滑動(dòng)的滾動(dòng)，豎直彈簧的剛度為k₂，水平拉簧剛度為k₁、原長(zhǎng)為L(zhǎng)；

初始狀態(tài)時(shí)，壓縮豎直彈簧至某一距離δ₀，使得中間質(zhì)量塊與滾輪處于同一水平面(中間質(zhì)量塊由兩個(gè)半圓形板和位于二者之間的矩形板構(gòu)成，每個(gè)半圓形板和矩形板平滑過渡，中間質(zhì)量塊與滾輪處于同一水平面是指中間質(zhì)量塊的中心與兩個(gè)半圓形板的圓心處于同一水平面上)；當(dāng)中間質(zhì)量塊向上運(yùn)動(dòng)到某一距離Y時(shí)，中間質(zhì)量塊受到的力可表示為：

由此式可以看出，當(dāng)L-L′＝0,k₂＝4k₁時(shí)，有

F＝k₂δ₀-mg

調(diào)節(jié)初始狀態(tài)時(shí)豎直彈簧的壓縮量δ₀，可使得或

其中為豎直方向加速度，|ε|＞0為一足夠小常量；

即當(dāng)質(zhì)量塊兩側(cè)鉸鏈的距離L′等于水平拉簧的原長(zhǎng)L，豎直彈簧剛度是水平彈簧剛度的4倍時(shí)，中間質(zhì)量塊所受重力與系統(tǒng)所給其提供的支持力恰好互相抵消或其差值為一微小恒力；由此可見，中間質(zhì)量塊位移處于–(R+r)＜Y＜(R+r)時(shí)，系統(tǒng)將始終為質(zhì)量塊提供一支持力，該支持力能抵消或者接近質(zhì)量塊的重力，使得質(zhì)量塊處處受力平衡或接近平衡，呈現(xiàn)出一種懸浮或微重力狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)模擬太空中零重力或微重力環(huán)境。

具體地，所述懸浮裝置為彈簧-六連桿機(jī)構(gòu)零重力或微重力懸浮裝置，所述懸浮裝置包括第一連桿、第二連桿、第三連桿、第四連桿、第五連桿、第六連桿、水平拉簧和豎直彈簧，

第一連桿、第二連桿、第三連桿、第四連桿、第五連桿、第六連桿順次鉸接形成六邊形，第六連桿位于第三連桿的上方且二者均水平設(shè)置，第三連桿固定設(shè)置，被懸浮物體(中間質(zhì)量塊、中間浮子)與第六連桿連接；

水平拉簧的一端與第一連桿、第二連桿鉸接點(diǎn)鉸接，水平拉簧的另一端與第四連桿、第五連桿鉸接點(diǎn)鉸接；豎直彈簧的上端連接第六連桿，豎直彈簧的下端固定；

豎直彈簧在其兩側(cè)的第一連桿和第五連桿的作用下豎直運(yùn)動(dòng)；其中第一連桿、第二連桿、第四連桿、第五連桿的長(zhǎng)度均為a，第三連桿、第六連桿的長(zhǎng)度均為L(zhǎng)′，水平拉簧剛度為k₁，原長(zhǎng)為L(zhǎng)；豎直彈簧的剛度為k₂；

初始狀態(tài)時(shí)，壓縮豎直彈簧至某一距離δ₀，使得第六連桿與第三連桿位于同一水平面；當(dāng)被懸浮物體向上運(yùn)動(dòng)到Y(jié)距離時(shí)，中間質(zhì)量塊受到的力為：

由此式可以看出，當(dāng)L-L′＝0,k₁＝k₂時(shí)，有

F＝k₂δ₀-mg

調(diào)節(jié)初始狀態(tài)時(shí)豎直彈簧的壓縮量δ₀，可使得或

其中為豎直方向加速度，|ε|＞0為一足夠小常量；

即當(dāng)水平拉簧的原長(zhǎng)與第三連桿、第六連桿長(zhǎng)度相等，豎直彈簧與水平拉簧剛度相等時(shí)，被懸浮物體所受重力與系統(tǒng)所給其提供的支持力恰好互相抵消或其差值為一微小恒力；當(dāng)中間質(zhì)量塊位移處于0＜Y＜2a時(shí)，系統(tǒng)將始終為被懸浮物體提供一支持力，該支持力能抵消或者接近質(zhì)量塊的重力，使得質(zhì)量塊處處受力平衡或接近平衡，呈現(xiàn)懸浮或微重力狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)模擬太空中零重力或微重力環(huán)境。

針對(duì)彈簧-連桿-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)零重力或微重力懸浮裝置，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的幾何參數(shù)b和c為：

b為無量綱參數(shù)，表示為

c為無量綱參數(shù)，表示為

無量綱參數(shù)

針對(duì)彈簧-滾子-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)零重力或微重力懸浮裝置，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的幾何參數(shù)b和c為：

b為無量綱參數(shù)，表示為

c為無量綱參數(shù)，表示為

無量綱參數(shù)

針對(duì)彈簧-六連桿機(jī)構(gòu)零重力或微重力懸浮裝置，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的幾何參數(shù)b和c為：

b為無量綱參數(shù)，表示為

c為無量綱參數(shù)，表示為

無量綱參數(shù)

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明建立了低頻、超低頻(低至0頻)隔振理論，提出地面零(微)重力懸浮的具體實(shí)施方案，構(gòu)建一類基于幾何非線性特征的具有零頻隔振特征的零(微)重力懸浮裝置。解決了低頻、超低頻(低至0頻)隔振與空間零(微)重力環(huán)境的地面模擬等一系列技術(shù)難題。該類懸浮裝置主要是利用線性彈性元件的非線性幾何配置，借助其幾何非線性的負(fù)剛度特征與幾何參數(shù)的可調(diào)節(jié)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低頻、超低頻(低頻至零頻)隔振與空間零(微)重力環(huán)境的地面模擬。

本發(fā)明還提供系列機(jī)械式懸浮裝置，以解決空間零(微)重力地面模擬與低頻、超低頻隔振等技術(shù)難題。該系列懸浮裝置本質(zhì)上均可視為由一個(gè)提供重力支撐的豎直彈簧和水平彈簧通過連桿與被懸浮物連接而成。其基本原理為通過彈簧連桿機(jī)構(gòu)的幾何非線性配置提供與重力大小相等、方向相反的支撐力，以實(shí)現(xiàn)在裝置設(shè)計(jì)范圍(連桿長(zhǎng)度兩倍)內(nèi)作用在被懸浮物的合力為零，進(jìn)而使被懸浮物體處于懸浮狀態(tài)。該裝置可以用于空間零(微)重力環(huán)境包括空間飛行器對(duì)接、大型空間柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試與航天員訓(xùn)練等在內(nèi)的地面模擬實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，利用該裝置的懸浮特點(diǎn)可以有效地解決低頻、超低頻(低至零頻)的隔振問題，克服了傳統(tǒng)隔振理論難以避開系統(tǒng)共振的難題。

本發(fā)明適于航天工程對(duì)空間零(微)重力地面模擬實(shí)驗(yàn)提出越來越高的要求，解決了現(xiàn)有低頻、超低頻隔振面臨的技術(shù)難題，基于幾何非線性的負(fù)剛度特性與幾何參數(shù)可調(diào)的特點(diǎn)，提出一類具有零頻隔振特征的零(微)重力懸浮裝置。該裝置實(shí)現(xiàn)被懸浮體對(duì)振動(dòng)環(huán)境的全頻段免疫，進(jìn)而解決傳統(tǒng)隔振系統(tǒng)、準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)難以避開共振難題，真正實(shí)現(xiàn)低頻、超低頻(低至零頻)隔振與空間零(微)重力環(huán)境的地面模擬。

本發(fā)明的工作原理為：利用幾何非線性的負(fù)剛度特征與幾何參數(shù)可調(diào)的性質(zhì)，通過豎直彈簧、橫向彈簧與連桿機(jī)構(gòu)的幾何非線性配置提供給被懸浮體與重力大小相等、方向相反的支撐，以實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)范圍(連桿長(zhǎng)度兩倍)內(nèi)作用在被懸浮體的合力為零，進(jìn)而使被懸浮體處于懸浮狀態(tài)。

本質(zhì)上，本發(fā)明旨在建立低頻、超低頻(低至零頻)的隔振理論，提出地面零(微)重力懸浮的方法及相應(yīng)的地面零(微)重力懸浮的裝置，構(gòu)建一類具有零固有頻率滿足(其中|ε|＞0為一可調(diào)常量)的懸浮系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有低頻、超低頻(低至零頻)的隔振性能，因而可以實(shí)現(xiàn)空間零(微)重力環(huán)境的地面模擬。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的彈簧-連桿-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)零(微)重力懸浮裝置的原理示意圖，其中：1-水平拉簧、2-連桿、3-中間質(zhì)量塊、4-豎直彈簧、5-豎直光桿；

圖2是本發(fā)明的彈簧-滾子-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)零(微)重力懸浮裝置的原理示意圖，其中：1-中間質(zhì)量塊、2-水平拉簧、3-滾輪、4-豎直彈簧、5-支架、6-導(dǎo)軌；

圖3是本發(fā)明的彈簧-六連桿機(jī)構(gòu)零(微)重力懸浮裝置的原理示意圖，其中：1-第一連桿、2-第二連桿、3-第三連桿、8-第四連桿、6-第五連桿、5-第六連桿、4-中間質(zhì)量塊、7-水平拉簧、豎直彈簧9。

圖4為不同阻尼比時(shí)，線性隔振系統(tǒng)與零(微)重力隔振系統(tǒng)傳遞率的比較圖。

圖5為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所使用的試驗(yàn)設(shè)備的圖片，圖6為實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的懸浮裝置，先給出一類具有零頻隔振特征的零(微)重力懸浮方法，所述方法是構(gòu)建一類具有零固有頻率滿足或的懸浮系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)的低頻、超低頻低至零頻的隔振性能，用以實(shí)現(xiàn)空間零重力或微重力環(huán)境的地面模擬；其中|ε|＞0為一足夠小可調(diào)常量，為豎直方向加速度；所述方法建立了低頻、超低頻(低至0頻)隔振理論；

懸浮系統(tǒng)是通過對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的幾何參數(shù)b和c的調(diào)節(jié)獲得的；

懸浮系統(tǒng)是通過對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的幾何參數(shù)b和c的調(diào)節(jié)獲得的。

基于上述方法的具有全頻段隔振特征的零(微)重力懸浮裝置，所述裝置包括豎直彈簧、連桿機(jī)構(gòu)以及至少一個(gè)水平拉簧，被懸浮物體與豎直彈簧的上端連接，在連桿機(jī)構(gòu)和至少一個(gè)水平拉簧的作用下，被懸浮物體沿豎直彈簧在垂直方向運(yùn)動(dòng)；

利用所述裝置幾何非線性的負(fù)剛度特征與所述裝置幾何參數(shù)的可調(diào)性，經(jīng)幾何非線性參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)在所述裝置設(shè)計(jì)范圍內(nèi)使被懸浮物體處于懸浮狀態(tài)；

被懸浮物體在垂直方向處于某一位置時(shí)，所述裝置將始終為被懸浮物體提供一支持力，該支持力能抵消或者接近質(zhì)量塊的重力，使得質(zhì)量塊處處受力平衡或接近平衡，呈現(xiàn)出一種“懸浮”或微重力狀態(tài)，用于模擬太空中零重力或微重力環(huán)境。

現(xiàn)以如下三種具體懸浮裝置為例，提供空間零(微)重力環(huán)境的地面模擬的具體實(shí)施方案：

具體實(shí)施方式一：如圖1所示，本實(shí)施方式所述的懸浮裝置為彈簧-連桿-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)零(微)重力懸浮裝置，

所述懸浮裝置包括兩個(gè)水平拉簧1、兩個(gè)連桿2、中間質(zhì)量塊3、豎直彈簧4和豎直光桿5，中間質(zhì)量塊3與豎直彈簧4的上端固連，中間質(zhì)量塊3在兩側(cè)連桿2的作用下沿豎直光桿5上下滑動(dòng)；每個(gè)連桿2的一端與水平拉簧1的一端鉸接，每個(gè)連桿2的另一端與中間質(zhì)量塊3鉸接；

每個(gè)水平拉簧1的所述一端能沿相應(yīng)端的水平導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，水平拉簧1的另一端固定；豎直彈簧4的下端固定，兩個(gè)水平導(dǎo)軌處于同一水平線上；中間質(zhì)量塊3(中間浮子)的質(zhì)量為m，每個(gè)連桿2的長(zhǎng)度為l，水平拉簧1與豎直彈簧4的剛度分別為k₁、k₂，每個(gè)水平拉簧1原長(zhǎng)時(shí)其自由端距豎直光桿5的距離為B；

初始狀態(tài)時(shí)，壓縮豎直彈簧4至某一距離δ₀，使得中間質(zhì)量塊3與兩個(gè)桿件2處于同一水平面；當(dāng)中間質(zhì)量塊向上運(yùn)動(dòng)到某一距離y時(shí)，中間質(zhì)量塊受力為：

當(dāng)B＝0，k₂＝2k₁時(shí)，有

F＝k₂δ₀-mg

由此看出，調(diào)節(jié)初始狀態(tài)時(shí)豎直彈簧的壓縮量δ₀，可以使得或

其中為豎直方向加速度，|ε|＞0為一足夠小常量；

即水平拉簧1處于未拉狀態(tài)時(shí)，其自由端距豎直光桿5的距離為0，當(dāng)豎直彈簧剛度是水平彈簧剛度的2倍時(shí)，中間質(zhì)量塊所受重力與系統(tǒng)所給其提供的支持力恰好互相抵消或?yàn)橐晃⑿『懔?；質(zhì)量塊在處于-l＜Y＜l時(shí)，系統(tǒng)將始終為中間質(zhì)量塊3提供一支持力，該支持力能抵消或者接近質(zhì)量塊的重力，使得質(zhì)量塊受到的合力為零或?yàn)橐还潭ǔＡΓ蚨|(zhì)量塊處于零重力的“懸浮”或微重力狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)空間零(微)重力環(huán)境的地面模擬。

具體實(shí)施方式二：如圖2所示，本實(shí)施方式所述的懸浮裝置為彈簧-滾子-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)零(微)重力懸浮裝置，

所述懸浮裝置包括中間質(zhì)量塊1、水平拉簧2、兩個(gè)滾輪3、豎直彈簧4、兩個(gè)支架5和導(dǎo)軌6，

中間質(zhì)量塊1與豎直彈簧4的上端固連，在位于中間質(zhì)量塊1兩側(cè)的滾輪3的作用下沿豎直方向運(yùn)動(dòng)；每個(gè)滾輪3鉸接在對(duì)應(yīng)的一個(gè)支架5的上端，支架5的下端與導(dǎo)軌6構(gòu)成滑動(dòng)副，

兩個(gè)滾輪3的中心由水平拉簧2相連，支架5能在水平方向沿導(dǎo)軌6左右滑動(dòng)從而改變兩個(gè)滾輪3之間的距離；

中間質(zhì)量塊1的質(zhì)量為m，其兩端邊緣為半徑為R的半圓弧，半圓弧圓心距離為L(zhǎng)′；每個(gè)半徑為r的滾子3與相應(yīng)端的半圓弧無滑動(dòng)的滾動(dòng)，豎直彈簧4的剛度為k₂，水平拉簧2剛度為k₁、原長(zhǎng)為L(zhǎng)；

初始狀態(tài)時(shí)，壓縮豎直彈簧4至某一距離δ₀，使得中間質(zhì)量塊1與滾子3處于同一水平面(中間質(zhì)量塊1由兩個(gè)半圓形板和位于二者之間的矩形板構(gòu)成，每個(gè)半圓形板和矩形板平滑過渡，中間質(zhì)量塊1與滾子3處于同一水平面是指中間質(zhì)量塊1的中心與兩個(gè)半圓形板的圓心處于同一水平面上)；當(dāng)中間質(zhì)量塊1向上運(yùn)動(dòng)到某一距離Y時(shí)，中間質(zhì)量塊1受到的力可表示為：

由此看出，當(dāng)L-L′＝0，k₂＝4k₁時(shí)，有

F＝k₂δ₀-mg

同彈簧-連桿-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)一樣，調(diào)節(jié)初始狀態(tài)時(shí)豎直彈簧4的壓縮量δ₀，可以使得或(其中為豎直方向加速度，|ε|＞0為一足夠小常量)；即當(dāng)質(zhì)量塊兩側(cè)鉸鏈的距離L′等于水平拉簧的原長(zhǎng)L，豎直彈簧剛度是水平彈簧剛度的4倍時(shí)，中間質(zhì)量塊所受重力與系統(tǒng)所給其提供的支持力恰好互相抵消或其差值為一微小恒力；由此可見，中間質(zhì)量塊位移處于-(R+r)＜Y＜(R+r)時(shí)，系統(tǒng)將始終為質(zhì)量塊1提供一支持力，該支持力能抵消或者接近質(zhì)量塊的重力，使得質(zhì)量塊受到的合力為零或?yàn)橐还潭ǔＡ?，因而質(zhì)量塊處于零重力的“懸浮”或微重力狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)空間零(微)重力環(huán)境的地面模擬。

具體實(shí)施方式三：如圖3所示，本實(shí)施方式所述的懸浮裝置為彈簧-六連桿機(jī)構(gòu)零(微)重力懸浮裝置，

所述懸浮裝置包括第一連桿1、第二連桿2、第三連桿3、第四連桿8、第五連桿6、第六連桿5、中間質(zhì)量塊4、水平拉簧7和豎直彈簧9，

第一連桿1、第二連桿2、第三連桿3、第四連桿8、第五連桿6、第六連桿5順次鉸接形成六邊形，第六連桿5位于第三連桿3的上方且二者均水平設(shè)置，第三連桿3固定設(shè)置，中間質(zhì)量塊4與第六連桿5相固連；

水平拉簧7的一端與第一連桿1、第二連桿2鉸接點(diǎn)鉸接，水平拉簧7的另一端與第四連桿8、第五連桿6鉸接點(diǎn)鉸接；豎直彈簧9的上端連接第六連桿5，豎直彈簧9的下端固定；

在豎直彈簧9在其兩側(cè)的第一連桿1和第五連桿6的作用下豎直運(yùn)動(dòng)；其中第一連桿1、第二連桿2、第四連桿8、第五連桿6的長(zhǎng)度均為a，第三連桿3、第六連桿5的長(zhǎng)度均為L(zhǎng)′，水平拉簧7剛度為k₁，原長(zhǎng)為L(zhǎng)；豎直彈簧9的剛度為k₂；

初始狀態(tài)時(shí)，壓縮豎直彈簧9至某一距離δ₀，使得第六連桿5與第三連桿3位于同一水平面；當(dāng)中間質(zhì)量塊4向上運(yùn)動(dòng)到Y(jié)距離時(shí)，中間質(zhì)量塊受到的力為：

由此看出，當(dāng)L-L′＝0,k₁＝k₂時(shí)，有

F＝k₂δ₀-mg

同上述彈簧-連桿-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)和彈簧-滾子-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)一樣，調(diào)節(jié)初始狀態(tài)時(shí)豎直彈簧9的壓縮量δ₀，可以使得或(其中為豎直方向加速度，|ε|＞0為一足夠小常量)。即當(dāng)水平拉簧7的原長(zhǎng)與連桿3、5長(zhǎng)度相等，豎直彈簧9與水平彈簧剛度相等時(shí)，中間質(zhì)量塊4所受重力與系統(tǒng)所給其提供的支持力恰好互相抵消或其差值為一微小恒力；由此可見，中間質(zhì)量塊位移處于0＜2a時(shí)，系統(tǒng)將始終為質(zhì)量塊4提供一支持力，該支持力能抵消或者接近質(zhì)量塊的重力，使得質(zhì)量塊受到的合力為零或?yàn)橐还潭ǔＡΓ蚨|(zhì)量塊處于零重力的“懸浮”或微重力狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)空間零(微)重力環(huán)境的地面模擬。

當(dāng)進(jìn)行地面模擬時(shí)，對(duì)于某一質(zhì)量體(如航天員、航空航天器)，可以視其為等效中間質(zhì)量塊。

為了實(shí)現(xiàn)零重力目的，我們首先要滿足其初始狀態(tài)，即在重力作用下，豎直彈簧壓縮一定距離，使得中間質(zhì)量塊與兩側(cè)水平軌道處于同一水平面(圖1)(或中間質(zhì)量塊與兩側(cè)滾子圓心位于同一水平面(圖2)、中間質(zhì)量塊與連桿3位于同一水平面(圖3))。然后再根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)型式，按照其彈簧的原長(zhǎng)條件和剛度之間的關(guān)系進(jìn)行配置。最終，中間質(zhì)量塊在豎直運(yùn)動(dòng)時(shí)，其重力完全有系統(tǒng)提供的“浮力”來平衡，達(dá)到實(shí)現(xiàn)零重力的目的。

為了實(shí)現(xiàn)微重力目的，與上述實(shí)現(xiàn)零重力不同的是，需要控制初始狀態(tài)時(shí)豎直彈簧的壓縮量，只需使豎直彈簧壓縮后，中間質(zhì)量塊與兩側(cè)軌道不在同一水平面(圖1)(或中間質(zhì)量塊與兩側(cè)滾子圓心不在同一水平面(圖2)、中間質(zhì)量塊與連桿3不在同一水平面(圖3))，而其他條件都與零重力情形相同，即可實(shí)現(xiàn)微重力環(huán)境。

所述機(jī)構(gòu)中的彈簧并不局限于機(jī)械彈簧標(biāo)準(zhǔn)件，也可以是彈簧非標(biāo)件，或者其它能產(chǎn)生等效線性彈力的零件，如氣體彈簧、電磁鐵等等。

本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

針本發(fā)明再進(jìn)行如下闡述：

該類具有幾何非線性特征的零(微)重力懸浮裝置，利用幾何非線性的負(fù)剛度特征與其幾何參數(shù)的可調(diào)性，通過豎直彈簧、水平放置彈簧-連桿與被懸浮物體連接，經(jīng)幾何非線性參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)在裝置設(shè)計(jì)范圍內(nèi)使被懸浮物體處于懸浮狀態(tài)。因該類零(微)重力懸浮裝置的系統(tǒng)固有頻率為零，因而實(shí)現(xiàn)被懸浮物體的對(duì)于振動(dòng)環(huán)境的全頻段免疫，進(jìn)而徹底解決了傳統(tǒng)隔振系統(tǒng)、準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)難以避開共振峰的難題，真正實(shí)現(xiàn)低頻、超低頻(低至零頻)隔振與空間零(微)重力環(huán)境的地面模擬。

傳統(tǒng)線性系統(tǒng)受激振動(dòng)方程為：

其中：ξ為阻尼比，f₀為外激勵(lì)，ω為外激勵(lì)頻率。

準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)受激振動(dòng)方程為：

其中：ξ為阻尼比，f₀為外激勵(lì)，ω為外激勵(lì)頻率。

零(微)重力系統(tǒng)受激振動(dòng)方程為：

其中：ξ為阻尼比，f₀為外激勵(lì)，ω為外激勵(lì)頻率。

傳遞率定義為：整個(gè)系統(tǒng)傳遞給地面的力的幅值和激振力的幅值之比。由此可得上述線性隔振系統(tǒng)和零(微)重力隔振系統(tǒng)的傳遞率T₁、T₂、T₃分別為：

由圖4可知，線性隔振系統(tǒng)只有時(shí)具有隔振性能；準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)只有時(shí)具有隔振性能；本發(fā)明提供的零(微)重力懸浮裝置，不僅具有低至零頻的全頻段良好隔振性能，同時(shí)具有遠(yuǎn)優(yōu)于重傳統(tǒng)線性系統(tǒng)與準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)的隔振性能。本發(fā)明徹底解決了傳統(tǒng)隔振系統(tǒng)、準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)難以避開共振峰的難題，真正實(shí)現(xiàn)低頻、超低頻(低至零頻)隔振與空間零(微)重力環(huán)境的地面模擬。

由上可知，本發(fā)明借助對(duì)幾何參數(shù)的調(diào)節(jié)建立了零(微)重力模型，進(jìn)一步地，通過對(duì)微重力系統(tǒng)幾何參數(shù)ε的調(diào)節(jié)以及主動(dòng)控制，使ε不局限于一微小常量限制，即可使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超重力及時(shí)變重力環(huán)境的模擬效果。

另一方面，通過對(duì)系統(tǒng)(其中：無量綱參數(shù)b在具體實(shí)施方案一、二和三中分別表示和無量綱參數(shù)c在技術(shù)方案一、二和三中分別表示和無量綱參數(shù)ε在具體實(shí)施方案一、二和三中分別表示和)幾何參數(shù)b和c的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)剛度特性由全局零剛度向準(zhǔn)零剛度連續(xù)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零剛度區(qū)間可調(diào)的準(zhǔn)零剛度結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明借助彈簧-連桿-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、彈簧-滾子-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)和彈簧-六連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一類零(微)重力懸浮裝置。該類裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、載荷可調(diào)、便于加工等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備零重力環(huán)境模擬精度高、重力環(huán)境可調(diào)、運(yùn)行穩(wěn)定性好等非線性動(dòng)力學(xué)特性，能滿足隔振頻率低至零頻、零(微)重力模擬環(huán)境的永久性及零(微)重力懸浮空間可調(diào)、運(yùn)行成本低等基本要求。可以完美實(shí)現(xiàn)低頻、超低頻(低至零頻)隔振以及包括航天員艙內(nèi)生活環(huán)境模擬、太空行走及航天器對(duì)接等在內(nèi)的空間零(微)重力環(huán)境地面模擬實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)驗(yàn)證：

針對(duì)具體實(shí)施方式二(技術(shù)方案二)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)設(shè)備如圖5所示。對(duì)此試驗(yàn)設(shè)備利用LMS系統(tǒng)進(jìn)行了豎向加速度a＝7.1≈69.651/²的沖擊試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。其中通道一(粉色曲線表示)接入激振臺(tái)控制信號(hào)，即為激振臺(tái)的沖擊信號(hào)；通道二(藍(lán)色曲線表示)為懸浮試驗(yàn)裝置平臺(tái)的加速度傳感器測(cè)的響應(yīng)信號(hào)。

試驗(yàn)結(jié)果圖中曲線上的微小波動(dòng)為試驗(yàn)設(shè)備噪聲，除去噪聲對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析的影響，從次裝置的加速度響應(yīng)效果可以得出試驗(yàn)裝置對(duì)基礎(chǔ)的沖擊實(shí)現(xiàn)了高于97.7％的隔離效果，由于此試驗(yàn)裝置的加工工藝問題仍存在較大摩擦使試驗(yàn)響應(yīng)增大，因而更加證明了該懸浮系統(tǒng)對(duì)基礎(chǔ)振動(dòng)具有極強(qiáng)的免疫作用，系統(tǒng)平臺(tái)相對(duì)基礎(chǔ)處于懸浮狀態(tài)。