西安交通大学机械工程学院马富银教授课题组，受自然花朵多层结构形式启发，提出一种基于多稳态原理和自接触突变思路的多级多稳态准零刚度（QZS）隔振单元设计策略。其利用隔振单元内部多层离散结构之间力学特性的叠加补偿作用和接触突变行为，可获得多个承载能力具有明显梯度差别的QZS平台区域，实现隔振器的高承载、宽QZS工作平台设计。同时，借助层间接触后的耦合相互作用，有效提升了单元的振动能量损耗能力，且提升了承载能力。此外，在上述多层QZS隔振单元的基础上，基于“以吸代隔”的设计思路，通过在互为镜像对称的隔振器对之间配置质量块，构造了一种多级刚度低频吸振-隔振一体化装置。通过动力学理论分析、力场及波场仿真和实验测试，系统地验证了上述设计的可行性和有效性。这种超结构隔振装置可以很好的满足实际工程中对于低频减振效果和可靠承载强度的减振应用要求，为装备减振降噪设计提供了新的思路，具有重要的工程应用参考价值。
相关研究成果以“自接触叠加补偿式多级多稳态准零刚度隔振装置”（Self-contacting overlay complementary multi-level multi-stable quasi-zero stiffness vibration isolation device）为题，在线发表在《Mechanical Systems and Signal Processing》[Mechanical Systems and Signal Processing, 226, 112340, 2025]上。西安交通大学为第一作者单位，西安交通大学为通讯单位，西安交通大学机械工程学院硕士生芮世腾为第一作者，马富银教授为通讯作者，西安交通大学机械工程学院韩宾副教授和博士生杨绍坤、郑培远以及汪兴中对论文提供了重要贡献。
振动在各类机械设备和工程结构中广泛存在。相较于吸振和阻振技术，隔振技术能够实现更稳定的工作进程以及更高的振动能量衰减效率。然而，传统线性隔振器需要很软的材质才能实现较好的低频振动衰减效果，但软的隔振器往往无法承受大的载荷，低频隔振与大载荷承重之间存在技术矛盾。准零刚度（QZS）结构独特的“高静低动”刚度特性为解决上述问题、实现高承载-低频隔振一体化设计开辟了一条可行的研究思路。现有QZS结构通过多层隔振单元的串联组合可以在一定程度上拓宽QZS装置的隔振平台，但多层单元的串联使得所需安装空间成倍增加，并且无法确保各层单元能一定按照预想的期望顺序依次进行受压变形来实现多层单元QZS平台的叠加效果。串联结构在受压过程中各层单元状态之间不确定的相互耦合、相互干涉都会对最终的宽QZS平台效果产生明显影响。
对此，受自然界植物花瓣多层渐变结构的启发，论文提出一种高承载、宽QZS平台的多极多稳态准零刚度装置设计思路，利用多层结构层间屈曲刚度的叠加补偿作用和接触增强行为，可获得多个承载能力具有明显梯度差别的QZS平台区域。同时，借助层间接触后的耦合相互作用，有效提升了能量损耗能力，且提升了承载能力。此外，基于以上多层隔振单元提出了一种QZS型局域共振超结构，可实现对低频振动能量的有效抑制衰减。论文的设计方案可以很好的满足实际工程中对于低频减振效果和可靠承载强度的减振应用要求，为装备减振降噪设计提供了新的思路，具有重要的工程应用参考价值。
图1 现有隔振结构的宽QZS平台设计策略及本论文多层隔振结构的创新设计原理
受自然界中多层花朵结构的启发，论文提出了一种新型自接触式多级QZS隔振单元，如图2所示。在花朵多层结构布局框架的基础上，通过将柔顺机构设计方法、自接触设计、多稳态设计等要素融入到QZS单元设计中，使隔振单元能够实现低频宽带隔振、高承载能力以及模块一体化等多功能集成设计。
作者首先从变形能量角度入手，对单元内部的单层结构力学特性进行理论分析，验证了此类单层结构形式通过设计参数的适当调整，能够获得较好的QZS平台区域。同时利用仿真手段还证明了多层隔振单元内部的各层结构在接触后的力学特性具有几乎完全解耦的线性叠加关系，基于以上线性叠加特性，隔振单元内部的各层结构都能实现完全独立的可调性和可编程性，如图3所示。相比于以往多层单元串联宽平台设计思路的不确定性，本论文提供了一种更清晰、更有效、更准确的宽QZS平台设计策略。
接着，利用Abaqus有限元仿真软件计算了多层隔振单元在各个QZS平台压缩状态下的隔振传输效果，如图4所示。仿真结果表明此类隔振单元在各个QZS平台压缩状态下均能表现出出色的低频宽带隔振效果，同时作者还对图4中Q、M、N三个恶化共振峰出现的原因进行了研究。
之后，为了对后续进行隔振单元的一般性设计时提供参考指导，基于控制变量原则，论文系统探究了单元几何设计参数对于隔振单元QZS平台位置以及QZS平台隔振效果的影响规律。其中，在图5中系统地研究了五类关键设计参数对隔振单元QZS平台位置的影响规律。根据以上五类参数对于QZS平台位置影响规律的分析结果，可以发现，通过调整隔振单元特定的几何设计参数，能够实现对QZS平台承载能力以及产生位置两大特性的便捷、灵活、定制化调整。在图6中系统研究了不同几何参数对各个QZS平台隔振性能的影响规律，此处主要通过起始工作频率、最佳隔振衰减两个指标来衡量QZS平台隔振性能的变化情况。通过以上研究可以发现，结构几何参数的调整不仅会使得QZS平台的位置特性发生改变，同时也会对QZS平台的隔振性能产生一定影响。
图5 五类设计参数对隔振单元QZS平台位置的影响规律
图6 五类设计参数对隔振单元QZS平台隔振效果的影响规律
为了表明此类多层隔振单元具有良好的可拓展设计性，作者尝试利用上述多层隔振单元的QZS特性去构建一种可实现超低频振动能量衰减的局域共振超结构，如图7所示。通过将前文设计的多层隔振单元在两个外框架内进行对称布置，可获得具有QZS特性的局域共振基本单元，即QZS型局域共振单元。将多个QZS型局域共振单元进行周期性排布，可形成内含多个QZS型共振单元的一维超材料梁结构。通过计算梁结构在三个QZS平台压缩状态下的振动传输特性，验证了上述QZS型局域共振单元的优良低频减振特性。
图7 QZS型局域共振超结构的原理模型示意图及低频宽带减振效果
为了验证上述提出的多层隔振单元的优良静力学特性，作者进行了准静态压缩实验测试。实验测试结果如图8所示，可以看到，隔振单元样品能够实现三个承载能力不同的QZS平台，且三个QZS平台的位置基本与仿真计算结果保持一致，表明本文所提出的利用多层离散结构的自接触叠加互补作用来实现高承载、宽QZS平台的设计思路是可行的。
图8 多层隔振单元的静力学特性实验结果
最后，论文还对多层隔振单元样品在不同QZS平台位置的动力学隔振效果进行了测试验证，如图9所示。测试结果表明，多层隔振单元在多个QZS平台压缩状态下均能表现出出色的低频宽带隔振效果，并且试验测试数据与仿真计算结果基本保持一致。此外，论文还对由QZS型局域共振单元组成的一维超结构梁的振动传输特性进行了实验测试，如图9所示。以上传输测试实验结果表明，论文提出的此类QZS型局域共振单元设计思路，能够保证在具有较强承载能力的基础上实现优良的低频宽带减振效果，具有较强的工程应用潜力。
针对现有隔振装置难以兼顾优良低频隔振效果与可观承载能力的实际工程挑战，论文开展了承载-隔振多功能一体化减振装置的研究工作。受自然界多层花朵结构的启发，通过将多稳态设计、自接触叠加互补设计等思路应用到QZS隔振单元的设计过程中，能够保证隔振单元在具有优良低频隔振效果的前提下获得更高的承载能力。以往通过多层单元串联组合来实现宽QZS平台的设计策略可能在安装空间以及多层单元QZS特性耦合失效等方面存在一定的应用局限性。本文所提出的此类多层隔振单元设计形式，可利用单元内部多层结构屈曲刚度特性的叠加补偿作用获得多个承载能力具有明显梯度差别的QZS平台，从而实现宽QZS平台设计。此外，在上述多层QZS隔振单元的基础上，基于“以吸代隔”设计思路，通过在互为镜像对称的隔振器对直接配置质量块，构造了一种多级刚度吸振-隔振一体化装置，其在各个QZS稳态压缩状态下均能表现出优良的低频宽带抑振效果。
论文提出的多层离散结构渐进自接触的设计方案以及“以吸代隔”吸隔振一体化的设计思想，很好的契合了实际工程环境对于结构小型紧凑、工作稳定可靠、可观承载能力、优良低频隔振效果的复杂减振应用需求，具有重要的工程应用参考价值。
该工作得到了国家自然科学基金“海洋声学基础研究”原创探索计划重点项目（No. 52250287）和陕西省杰出青年基金项目（No. 2024JC-JCQN-49）的支持。
