前言

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准零刚度（Quasi-zero Stiffness, QZS）隔振器是一种特殊设计的隔振装置，旨在实现非常低的有效刚度，从而提供卓越的低频振动隔离性能。传统隔振器通常在高频段表现良好，但在低频段效果不佳，因为它们的固有频率较高。QZS隔振器通过巧妙的设计克服了这一限制，使得即使在接近静态条件下也能有效工作。

工作原理

QZS隔振器的核心思想是利用正刚度元件（如弹簧）和负刚度机构组合来抵消正刚度的效果，从而在特定的工作区间内实现几乎为零的有效刚度。具体来说：

• 正刚度元件：通常是普通的线性弹簧，它提供了基础的支撑力，并具有一定的初始刚度。
• 负刚度机制：可以通过多种方式实现，例如使用特殊的几何结构、磁力系统或机械杠杆系统等，其作用是在一定变形范围内产生与正刚度相反方向的作用力，从而降低整体系统的刚度。

当这两个部分精心调谐时，在某个特定的工作点上，正刚度和负刚度相互抵消，系统表现出极低的有效刚度，这就是所谓的“准零刚度”。

数学描述

假设一个简单的QZS系统由一个垂直放置的正刚度弹簧和一个水平放置的预压缩弹簧组成，后者通过某种机制（如连杆）影响垂直方向的刚度。如果水平弹簧的预压缩量适当调整，那么在垂直方向上的位移达到某一点时，可以实现有效刚度接近于零的情况。此时，系统的总势能 $V$ 可以表示为：

$$V(x)=\frac{1}{2}{k}_1{x}^2-\frac{1}{2}{k}_2(\Delta x{)}^2$$

其中：

• $k_1$ 是垂直方向弹簧的刚度，
• $k_2$ 是水平方向弹簧的刚度，
• $x$ 是垂直方向的位移，
• $\Delta x$ 是由于垂直位移引起水平弹簧长度变化导致的额外位移。

通过对上述势能表达式求导，可以获得系统的恢复力 $F=-\frac{dV}{dx}$，进而分析不同位移下的刚度特性。

特性和优势

• 宽频带隔振：QZS隔振器能够显著降低系统的固有频率，因此可以在更低的频率范围内提供有效的振动隔离。
• 高静态承载能力：尽管实现了低刚度，但通过合理设计，仍能保持较高的静态承载能力，确保稳定性和安全性。
• 减少共振放大：由于降低了固有频率，减少了系统发生共振的可能性及其可能带来的危害。

应用领域

QZS隔振器适用于需要高水平振动控制的场合，特别是在低频振动环境下的精密仪器保护、实验室设备安装、航空航天组件测试等领域显示出独特的优势。

总之，准零刚度隔振器通过创新性的设计思路解决了传统隔振技术在低频范围内的局限性，开辟了新的研究方向和技术应用前景。随着相关技术的发展，预计未来这类隔振器将在更多领域得到应用。