受海马方形外骨骼通过直线-扭转变形转换实现躯体自保护机制启发，研究团队设计了一种仿海马外骨骼隔振结构，由斜杆、弹簧和扭转圆盘构成。基于拉格朗日方程建立了其动力学模型，采用谐波平衡法获得近似幅频响应关系，揭示了结构参数与构型对非线性刚度、可调承载力、非线性惯性力、非线性阻尼以及低频隔振特性的影响规律。实验表明，通过动力学优化设计，所设计结构传递率峰值频率可低至1.48Hz，尤其在大幅激励下具备优异的低频隔振性能，该研究为基于直线-扭转转换机制的低频隔振结构设计提供了可选择的思路。

背景介绍

低频振动衰减速度慢、控制难度大，已成为制约复杂装备动力学性能提升关键问题之一。准零刚度隔振技术为低频隔振提供了思路，近年来，通过仿袋鼠奔跑、仿鸟腿、仿猫爪子缓冲等仿生X型构型的研究，逐步发展起来一种仿生隔振技术，具备较好的低频隔振性能，并呈现出较大的工作区间与稳定性，为低频隔振结构设计提供了新思路。

研究结果

1、仿生结构拓扑：灵感源自海马外骨骼截面的防护机制

海马外骨骼呈现特殊的方形横截面，不仅提供了良好的结构支撑，而且在外界激励下产生特殊的直线-扭转的变形转换，从而增强对脊椎的自我保护，并高效耗散外部能量，使其能在复杂环境中有效抵御冲击与振动。受海马外骨骼横截面较强缓冲机制启发(见图1)，严博教授和马洪业副教授团队设计了一种新型仿生隔振结构—仿海马外骨骼隔振结构（seahorse-exoskeleton-inspired structure，SES），其由斜杆、弹簧与扭转圆盘构成，其中斜杆将隔线性运动转化为圆盘的扭转运动，而弹簧则模拟海马外骨骼的弹性变形，同时引入非线性刚度特性。该结构不仅具有较高的承载能力，还能在较宽频范围内调节隔振性能，提升低频隔振效果。

2、SES动力学建模：探究SES的低频隔振机理

研究团队系统研究了SES的几何关系，获得了直线-扭转运动之间的转换关系。建立了SES动力学理论模型，并通过拉格朗日方程建立了其动力学方程，从而获取了等效非线性刚度、非线性阻尼与非线性惯量。深入分析了杆长、弹簧刚度、安装位置对SES的非线性恢复力、非线性刚度、非线性惯量、非线性阻尼等参数的调控规律。例如，合理的弹簧位置、杆长、初试安装角度优化负刚度和正刚度，扩大准零刚度(QZS)的工作范围(图2)，从而保证较大范围的低频隔振性能。

3、SES动力学设计：实现结构参数-隔振性能协同设计

基于谐波平衡法，获得了SES的幅频响应关系近似解析解与基础激励下的传递关系，深入研究了非线性刚度、非线性惯性、非线性二次力和非线性阻尼等对SES低频隔振特性的影响规律。研究发现，SES结构的线性-扭转转换机制可显著降低系统的峰值频率，使其能够在更低的频率范围内有效工作。通过优化结构参数，如较小的初始角度、较长的杆长和较大的半径等，有助于降低系统的固有频率 (图3)。同时，SES的非线性惯性和非线性阻尼特征使其能够在宽频带内提供较好的隔振效果。通过合理设计参数，SES能够在大幅度振动下仍保持稳定的低频隔振性能。实验结果也证明了SES在低频隔振方面的巨大潜力(图4)，可对高于3Hz以上的振动进行有效的隔离。

未来方向

该研究为探究生物结构与隔振功能之间的映射提供了一种思路，也为基于直线-扭转模式的隔振结构设计提供了一种可供选择的技术路径。接下来，可通过引入智能材料与结构技术，开发具有自感知与阻尼自适应功能的低频隔振器，从而提升隔振器的可靠性与稳定性，确保其在极端工况和复杂环境下能够长期稳定运行。

引用本文

Bo Yan, Shangwen Wang, Peng Ling, etal., Seahorse-exoskeleton-inspired structure with linear-to-torsion transition property for low-frequency vibration isolation. Fundamental Research, https://doi.org/10.1016/j.fmre.2025.02.002

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325825000834

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