科学家开发出控制机器和仪器振动的新结构

科学家表示，他们已经开发出一种结构，可以比迄今为止用于控制各个行业机器和设备震动的传统系统更有效地吸收和减少工程和机械装置的振动。

该研究结果发表在《科学报告》杂志上，沙迦大学土木与环境工程教授、论文合著者穆萨·勒布卢巴表示，该研究与一种结合两种材料的独特设计结构有关。

“我们设计的结构非常独特，因为它结合了两种材料：一种容易弯曲(负刚度)，一种抗弯曲(正刚度)，”Leblouba教授说。“当这些材料结合在一起时，它们会产生一种特殊的行为，即结构可以支撑重载，同时几乎不受小振动的影响。”

该研究是沙迦大学工程学院、印度国家技术学院和沙特阿拉伯法赫德国王大学的科学家共同合作完成的。

科学家写道：“从分析、数值和实验研究中可以看出，所提出的模型不仅代表了准零点结构特性，而且还具有有效的隔振性能，特别是在低频范围内。

“这证明了元结构通过创新设计和战略材料利用减轻振动影响的能力，从而确立了其在振动隔离至关重要的实际工程解决方案中的潜在适用性。”

这种新颖的“元结构”具有准零刚度(QZS)特性。它基于高静态和低动态刚度机制。它由四个平行排列的单元组成，每个单元都包含倾斜梁和半圆形拱门。

准零刚度或QZS是指结构在一定范围内对运动的阻力极低的一种状态，使其能够有效隔离振动，同时仍能支撑负载。这一独特特性是“超结构”在敏感环境中保持稳定性的关键。

Leblouba教授表示，这项研究的目的是创造“一种不仅在理论上合理，而且对于需要精确控制振动的行业的实际应用也切实可行的解决方案”。

“在我们的研究中，我们开发并验证了一种有助于控制振动的新型结构，振动是会影响机器和设备性能的不必要的运动。”

该研究的主要作者、印度国家技术学院鲁尔克拉分校机械工程系项目科学家SrajanDalela博士表示，这项创新技术的优势在于它能够抑制不同行业中各种机械的振动。

Dalela博士说：“这种结构能够在减少振动的同时保持稳定性，为保护各个行业的敏感设备开辟了新的可能性。”

“我们的研究开辟了振动控制的新领域，为困扰工程师数十年的问题提供了切实可行的解决方案。”

Leblouba教授补充说，科学家通过多次分析和实验验证了他们新开发的“元结构”的有效性。

“我们通过计算机模拟和真实实验测试了这种结构，结果证实它可以有效地减少振动，特别是在传统方法难以达到的低频下。

“这意味着我们的结构可以应用于航空航天、医学成像和精密仪器等各个领域，以保护敏感设备免受振动并提高其性能。”

工程师和机械师长期以来一直在努力寻找一种解决方案，以防止机器和设备在运行时产生振动。机器振动一直是他们面临的重大挑战。

科学家将他们的发明描述为一种轻质结构，“可以隔离从低频到高频不同频率范围的振动”，使其在各个行业具有广泛的应用。

他们在论文中强调了工业领域，他们的新颖结构“有助于吸收和消散不同机器和设备的振动”。

他们坚称，这种紧凑轻巧的结构提供了令人兴奋的潜在应用可能性。他们的研究指出，当应用于光学系统时，他们的发明能够“减轻到达望远镜和望远镜支架定位的振动”。

在不同垂直位移下，数值结果和实验结果对超结构行为的比较。来源：科学报告(2024)。DOI：10.1038/s41598-024-70126-x

关于医学成像设备，他们写道，其新颖的结构“可以为MRI机器提供稳定的环境以产生高质量的图像，并在高精度显微镜中确保稳定的成像”。

根据这项研究，该结构对于半导体制造系统同样具有实际意义，因为它可以“隔离敏感设备并保持必要的稳定性”。

在精密仪器和实验室领域，作者表明它们的结构具有“保持准确结果所需的稳定性”的能力。

作者还指出，工业机械是一个有用的领域，其中控制振动对于“稳定的环境和准确性”非常重要。

Leblouba教授表示：“这项创新可以提高精密仪器、医疗设备、航空航天设备等的性能和使用寿命，使这些技术更加可靠和高效。”他补充说，该设计“可以根据需要支撑的负载进行调整，使其适用于不同的应用。”

当被问及这项发明的重要性时，Leblouba教授表示：“我们的项目影响巨大，因为它为许多行业长期存在的问题提供了新的解决方案……这项创新可以提高精密仪器、医疗设备、航空航天设备等的性能和使用寿命，使这些技术更加可靠和高效。”

Leblouba教授表示，该项发明是同类发明中第一个能够在其他结构失效的情况下，特别是在低频振动的情况下发挥良好作用的发明。

“该结构的设计可以根据其需要支撑的负载进行调整，使其适用于不同的应用。我们的实验表明，即使在变化的条件下，该结构也能保持其振动控制能力。”

科学家们正在采取观望态度，看看业界对他们的发明会作何反应。但他们很乐观，希望他们的发现最终能带来改变。

沙特阿拉伯国王哈立德大学科学学院副教授阿布尔·卡拉姆表示：“我们很高兴看到我们的研究结果能够应用于现实世界，因为精确度和可靠性至关重要。”