طراحی و تحلیل عددی یک جداساز ارتعاش با سختی شبه صفر
پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1056-ISAV2025 (R2)
نویسندگان
1دانشجو کارشناسی ارشد
2هیئت علمی
چکیده
ارتعاشات مکانیکی ناخواسته یکی از چالشهای اساسی در سامانههای حساس و دقیق محسوب میشوند و میتوانند موجب کاهش کارایی، فرسایش اجزا و بروز خطاهای عملکردی شوند. هدف این پژوهش، طراحی و بررسی یک ساختار فراماده مکانیکی با رفتار سختی شبهصفر بهمنظور بهبود جداسازی ارتعاشات در فرکانسهای پایین است. در این راستا، یک سلول واحد فراماده با ترکیب المانهای دارای سختی مثبت و تیرهای پیشکمانش بهعنوان المان سختی منفی طراحی شد و رفتار آن بهصورت عددی مورد بررسی قرار گرفت. تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی با استفاده از نرمافزارهای کامسول و متلب انجام شدهاند. در تحلیل استاتیکی، رفتار سازه از طریق استخراج منحنی نیرو–جابهجایی و شناسایی ناحیه سختی شبهصفر ارزیابی گردید. همچنین برای بررسی عملکرد دینامیکی، پاسخ سیستم تحت تحریک هارمونیکی پایه در بازهای از فرکانسها محاسبه شد و نرخ انتقالپذیری ارتعاش بهعنوان شاخص اصلی ارزیابی مورد استفاده قرار گرفت. نتایج عددی نشان میدهند که با تنظیم مناسب پارامترهای هندسی، میتوان محدوده پایداری و ناحیه سختی شبهصفر ساختار را کنترل کرد. همچنین تحلیل فرکانسی بیانگر کاهش محسوس نرخ انتقال ارتعاش در یک بازه مشخص از فرکانسهای پایین نسبت به مدل خطی معادل است. این نتایج نشان میدهد که استفاده از ساختارهای فراماده مکانیکی با رفتار سختی شبهصفر میتواند راهکاری مؤثر و کمحجم برای جداسازی ارتعاشات فرکانس پایین فراهم آورد.
کلیدواژه ها
Title
Design and Numerical Analysis of a Quasi-Zero-Stiffness Vibration Isolator
Authors
Mahdi Gholami, Reza tikani
Abstract
Unwanted mechanical vibrations are among the major challenges in sensitive and precision systems, as they can lead to performance degradation, component wear, and functional errors. The aim of this study is to design and investigate a mechanical metamaterial structure exhibiting quasi-zero stiffness behavior in order to improve low-frequency vibration isolation. To this end, a representative unit cell combining positive stiffness elements and pre-buckled beams as negative stiffness components is designed and numerically analyzed.
Static and dynamic analyses are performed using COMSOL Multiphysics and MATLAB. In the static analysis, the structural behavior is evaluated by extracting the force–displacement curve and identifying the quasi-zero stiffness region. To assess the dynamic performance, the system response under harmonic base excitation over a range of frequencies is computed, and vibration transmissibility is employed as the main evaluation criterion.
The numerical results demonstrate that appropriate tuning of the geometric parameters enables effective control over the stability range and the quasi-zero stiffness region of the structure. Furthermore, frequency-domain analysis indicates a noticeable reduction in vibration transmissibility within a specific low-frequency band compared to an equivalent linear model. These findings confirm that mechanical metamaterial structures with quasi-zero stiffness characteristics can provide an effective and compact solution for low-frequency vibration isolation.
Static and dynamic analyses are performed using COMSOL Multiphysics and MATLAB. In the static analysis, the structural behavior is evaluated by extracting the force–displacement curve and identifying the quasi-zero stiffness region. To assess the dynamic performance, the system response under harmonic base excitation over a range of frequencies is computed, and vibration transmissibility is employed as the main evaluation criterion.
The numerical results demonstrate that appropriate tuning of the geometric parameters enables effective control over the stability range and the quasi-zero stiffness region of the structure. Furthermore, frequency-domain analysis indicates a noticeable reduction in vibration transmissibility within a specific low-frequency band compared to an equivalent linear model. These findings confirm that mechanical metamaterial structures with quasi-zero stiffness characteristics can provide an effective and compact solution for low-frequency vibration isolation.
Keywords
negative stiffness, Quasi-Zero Stiffness (QZS), Vibration Isolator