多稳态力学超材料带隙特性及调控研究

多稳态力学超材料具有多重稳定状态和几何重构特性,在变形吸能和能带调控等方面有重要的研究价值.本研究提出了一种多稳态力学超材料.该超材料是由具有双稳态特性的曲杆和相关实体支撑结构组成.结合有限单元法和布洛赫定理,计算了结构的能带结构,分析了不同稳态条件下结构的带隙特性,得到了几何参数对结构带隙的影响规律,并研究了由5×5个单胞组成的阵列结构中部分单胞变形时,整体结构的传输率.研究发现,双稳态连杆的变形状态可显著改变结构的带隙,尤其是在低频范围内产生了更宽的带隙.整体结构中局部一行或一列单胞变形即可在该方向对应带隙频率范围内实现弹性波传播的衰减.     

基于声子晶体的层叠式方柱型减振结构设计

基于声子晶体特性提出一种层叠式方柱型声子晶体单胞结构,通过冲击响应谱分析和随机振动分析考察其周期性结构减振特性,并与相应非周期结构对比.计算结果表明该声子晶体周期性结构对于冲击载荷和随机振动载荷均有较好的减振特性.在三组分材料参数中影响单胞带隙特性的主要因素是外层材料密度和中间层材料弹性模量.声子晶体结构的减振效果随周期数的增加而愈加明显.组分材料力学性能参数和周期型结构周期数是声子晶体结构减振设计的主要因素.     

复合负泊松比蜂窝超结构板低频减振特性研究

为实现低频宽带减振,将星型蜂窝与内凹六边形蜂窝组合,形成复合负泊松比蜂窝结构.利用多物理场软件COMSOL Multiphysics通过施加Floquet周期性边界条件获得了复合蜂窝元胞的色散曲线,并计算有限周期结构的传输特性,验证色散曲线中带隙的存在.设计并制备了复合蜂窝超结构板样件,通过试验分析其弹性波激励下的响应,验证有限元分析结果.以低频宽带为目标,利用遗传算法对结构参数进行优化,在1000~2000Hz打开了多条宽频带隙,可以为带隙设计提供有益指导.最后,将地铁实车测试获取的地板振动频谱作为激励,对超结构的减振性能进行了仿真测试,结果表明,复合蜂窝超结构板能够有效衰减列车地板1000~2000Hz的振动峰值.     

单面柱声子晶体板低频带隙特性与机理分析

基于有限元法计算分析散射体材料属性和散射体形状对单面柱板结构局域共振型声子晶体带隙特性的影响,并通过计算单胞位移特征模式解释声子晶体带隙特性变化的物理机理.结果表明：散射体的密度和弹性模量以及散射体形状通过改变声子晶体单胞局域状态,对声子晶体带隙特性产生很大影响.总结声子晶体板结构低频带隙特性变化规律,为工程减振降噪提供参考.     

圆柱壳弹性波超材料分级排列的带隙拓宽方法研究

圆柱壳弹性波超材料的弯曲波带隙拓宽问题限制其满足实际工程中的宽频隔振要求,针对该问题,本文首先研究了基于局域共振机理的圆柱壳弹性波超材料弯曲波带隙特点,研究局域谐振器质量和弹簧劲度系数的关系,然后将周期分级排列的组合方式应用于圆柱壳类弹性波超材料的带隙拓宽中,并利用有限元法进行能带结构和振动传输特性计算.研究结果显示：该方法可实现弯曲波带隙的拓宽;利用组合法构建的轴向周期分级排列圆柱壳弹性波超材料可实现705-1226Hz频率范围内弯曲波的高效衰减,带隙拓宽至分别为单一谐振器的2.55倍,这表明该方法在宽频减振方面具有明显优势,应用前景广阔.     

双层薄膜型超材料夹层板的多带隙设计

本文将薄膜型声学超材料结构与格栅夹层板结构相结合,发展了一种双层薄膜型超材料夹层板结构.采用有限元方法,建立薄膜型超材料夹层板结构模型,并分析其带隙产生机理.在单层薄膜型超材料夹层板结构的基础上,提出了相同质量与不同质量的双层薄膜型超材料夹层板结构,将其产生的局域共振带隙与单层薄膜型超材料夹层板结构进行对比分析.结果表明,相较于只含单层薄膜结构的夹层板,具有相同振子质量的双层薄膜型超材料夹层板结构,可以有效拓宽带隙范围.不同质量双层薄膜型超材料夹层板结构,可以增加带隙数量.如果改变谐振器质量块的粘附位置,结构的不对称性会使双层薄膜型超材料夹层板产生多个局域共振带隙,且位置相近的带隙可能合并为较宽的带隙.     

旋转运动柔性梁的压电质量和刚度效应

对旋转运动柔性梁的压电质量效应和刚度效应进行了研究,给出了基于经典层板理论的压电层合结构的等效抗弯刚度.研究中考虑了大范围运动已知和未知两种情况.仿真结果显示,当压电长度很短时,压电材料对系统动力特性的影响不大,可以忽略不计;当压电长度较长且小于梁长度的一半时,压电刚度对系统特性有着较大影响,而压电质量的影响较小;当压电长度大于梁长度的一半时,压电质量对系统特性有着较大影响,而压电刚度的影响较小.     

负泊松比超材料减振结构设计与实验验证

旋转机械的转子部件发生故障时,振幅会迅速增大甚至发散,此时需要一种轻质高效的吸能减振结构,快速控制转子部件的振动幅值.本文基于负泊松比材料概念,提出了一种针对转子系统的负泊松比弧形超材料减振结构,可以实现很好的故障转子减振效果.首先,通过释放自由度提出了负泊松比非对称星形胞单元,设计了针对转子的超材料减振结构,并给出了相应的能量吸收指标.然后,基于有限元模型进行了动力学仿真,讨论了不同冲击速度、不同冲击角度对能量吸收性能的影响.结果表明,低速冲击下,材料主要产生弹性变形吸能.随着冲击速度增加,材料变为弹塑性变形混合吸能模式,有效吸能率会明显增大.特别是在冲击速度较大时,减振结构的吸能率会迅速增加,这对于转子突发故障的减振十分有利.最后,设计了验证实验,对故障转子进行了负泊松比减振结构的验证实验.实验结果证明,对于转子的不平衡故障响应,设计的减振结构能够起到很好的抑制转子振动与吸收振动动能效果.     

二维分布式陀螺结构带隙特性研究

本文研究了一种二维分布式陀螺结构的扭转振动的能带结构特性.该结构原胞由陀螺、外框架、扭转弹簧组成,通过角动量定理得到动力学方程,再由Bloch定理得到色散关系并分析其能带结构特性.在理论上研究了三个重要的结构参数：角动量、转动惯量、扭转刚度对能带结构的影响,同时通过数值方法对带隙特性进行分析,所得数值结果与理论结果吻合较好,证明了结构中带隙的存在.     

直曲增强型负泊松比超材料的力学性能与减振研究

负泊松比超材料结构作为一种新型智能材料与结构,精确计算超材料结构在大应变下的非线性力学性能对其在工程中的潜在应用具有重要意义.本文在弧形内凹负泊松比结构中加入直杆,设计了一类直杆增强型直曲耦合内凹超材料结构;利用能量法推导出了曲边内凹蜂窝结构的横/纵向等效泊松比与等效弹性模量的解析表达式,讨论结构各参数对结构等效泊松比与等效弹性模量的影响.考虑几何非线性大变形,建立了曲边内凹负泊松比结构的有限元模型,并与线性模拟结果对比,验证了解析表达式的正确性.结果表明,等效泊松比与等效弹性模量均随变形增大而变化,且变形越大差异越明显,大变形下须考虑几何非线性;利用谐响应分析计算结构的加速度级和加速度振级落差,凸显所设计超材料结构的减振性能;分析结构整体减振性能,发现其随层数增加逐渐增大;不随频率变化,在低频范围内对激励产生的响应能够起到抑制作用.因此,合理的设计超材料微结构对结构的低频振动具有很好的抑制作用,对负泊松比超材料减振结构设计具有一定的参考意义.     

微型之字形压电式能量收集器输出电压的建模和仿真

为了有效解决无线传感器网络节点的供电难题,提出之字形结构的微型压电式能量收集器。相比于传统的直悬臂梁,此结构等效加大了压电梁的长度,降低了系统的固有振动频率。建立了之字形压电梁的本构方程和受迫振动方程,推导得到其输出电压的频域表达式。基于之字形压电梁的结构,利用ANSYS软件对其进行了谐响应分析。仿真结果表明,压电梁的输出电压在各阶固有振动频率处存在极值,符合理论分析的结果;输出电压大小随压电梁长度增加而降低,随压电梁宽度增加而升高,但均为非线性关系;压电梁末端质量块的长度和厚度、基体层厚度减小时,会导致输出电压的增大。在论文中所提出的结构尺寸下,10根直梁构成的之字形结构压电梁,在其一阶固有振动频率处,输出电压可达10 V以上,符合无线传感器网络节点的实际供电需求,证明了之字形压电梁结构的有效性。     

MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计

在单一效应的MEMS振动驱动微能源的基础上,提出了一种MEMS压电-磁电复合振动驱动微能源器件。该微能源由八悬臂梁-中心质量块结构和永磁铁两部分组成,环境振动使中心质量块振动,PZT压电敏感单元由于压电效应产生电势差;同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势,将压电转换与磁电转换相结合把振动能转换为电能。建立了该结构的数学模型并用有限分析软件Ansys12.0对该器件进行力学特性分析,最后对加工出的微能源进行性能测试。测试结果表明,该微能源谐振频率为8 Hz,易与环境发生共振;在共振条件下,施加1 gn 的加速度,器件压电发电开路输出电压峰峰值达154 mV,磁电发电开路输出电压峰-峰值达8 mV,有望为无线传感网络节点提供稳定的能源。     

基于柔性基底的压电能量收集器的设计

以PDMS为柔性基底设计的PVDF压电薄膜新型压电能量收集器压电性能良好,柔韧性强,可适应复杂的振动环境,具有广阔的应用前景.首先设计了具有柔性基底的压电能量收集器的结构;其次,用PVDF颗粒采用静电纺丝法制备了PVDF压电薄膜;最后,实验表明设计的压电能量收集器在振动频率为25 Hz,振动幅度为2 mm的激励下,开路输出峰值电压为8.38 V,输出功率密度为6.32 μW/cm2;经Ansys有限元分析,发现增大激励源的振动幅度,可以提高压电能量收集器的开路输出电压和输出功率.     

悬臂梁压电式振动发电机材料性能优化研究

具有高能量密度的微型压电振动发电机可以无限、持续地为无线传感器网络提供能量。为了提高有限体积悬臂梁压电式振动发电机的发电能力,通过力学模型及有限元仿真分析了单晶片型式、双晶片并联型式和双晶片串联型式压电振动发电机的材料参数与输出电压及固有频率之间的关系。结果表明,在低频工作环境下,应优先选择PZT-4、PZT-5A、PZT-5H的压电材料和不锈钢、镍合金的基板材料。     

一种宽频的磁式压电振动能量采集器

基于环境能量采集的压电振动能量采集器为无线传感器和微机电系统的长期供能提供了一种有效解决方案.目前研制的压电式振动能量采集器存在工作频率高,且频带窄的问题.给出了一种通过磁力的引入使其在低频下工作的、宽频的压电振动能量采集器,并搭建了测试系统对器件进行分析测试.在压电悬臂梁上放置永磁铁取代传统的质量块,同时在悬臂梁的上...     

压电式加速度传感器振动信号采集系统

针对变压器产生的振动信号的特征,设计了一种基于压电式加速度传感器的变压器振动信号采集系统。以振动控制台为试验对象,利用此系统对控制台输出的振动信号进行采集,并用快速傅里叶变换对采集到的振动信号进行分析。实验结果表明：该系统将压电式加速度传感器输出的电荷信号转换成了标准的电压信号,能够准确、实时地采集振动信号,为变压器故障在线监测奠定了基础。     

基于滚压的压电叠堆压电转换特性仿真分析

本文提出一种基于滚压的压电俘能器结构,结合Cymbal压电换能器和压电振子叠堆,利用滚珠作为激励源,可以把机构的往复振动转换为对压电振子的单向压迫.使用仿真软件对俘能器结构中滚珠压迫压电单元的力,以及该俘能器结构在并联和串联模式下输出的电压和俘获的电能进行仿真分析,得到该结构的压电转换特性.仿真结果表明,滚珠对压电叠堆的压迫力与压电陶瓷层数并不是单向递减,1-5层时递增,5层以后压迫力逐渐减小.在压电陶瓷的总层数不变的情况下,并联和串联时压电叠堆所俘获的总电能是不变的.两种联接模式下总电能随层数的变化关系为5层以内时随层数的增加而减小,超过5层后逐渐增加.     

Vibration Control of a Planar Parallel Manipulator Using Piezoelectric Actuators

This paper presents an active damping control approach applied to piezoelectric actuators attached to flexible linkages of a planar parallel manipulator for the purpose of attenuation of unwanted mechanical vibrations. Lightweight linkages of parallel manipulators deform under high acceleration and deceleration, inducing unwanted vibration of linkages. Such vibration must be damped quickly to reduce settling time of the manipulator platform position and orientation. An integrated control system for a parallel manipulator is proposed to achieve precise path tracking of the platform while damping the undesirable manipulator linkage vibration. The proposed control system consists of a PD feedback control scheme for rigid body motion of the platform, and a linear velocity feedback control scheme applied to piezoelectric actuators to damp unwanted linkage vibrations. In this paper, we apply the proposed vibration suppression algorithm to two different types of piezoelectric actuators and evaluate their respective performances. The two piezoelectric actuators are (i) a PVDF layer applied to the flexible linkage and (ii) PZT actuator segments also applied to the linkage. Simulation results show that both piezoelectric actuators achieve good performance in vibration attenuation of the planar parallel manipulator. The dynamics of the planar parallel platform are selected such that the linkages have considerable flexibility, to better exhibit the effects of the vibration damping control system proposed.     

一种高频宽带水声换能器的研制

研制了一种宽带、高频压电复合材料圆环阵水声换能器.该换能器的宽带结果是通过采用降低压电材料机械品质因数Qm值和多模耦合振动两种方法实现的.通过径向切割压电陶瓷圆环、灌注环氧树脂得到压电复合材料圆环,再将不同壁厚的压电复合材料圆环轴向叠堆而成敏感元件,对敏感元件进行模具封装,引出电极引线,得到换能器.利用ANSYS软件对结构进行仿真,得到敏感元件谐振频率和带宽随压电陶瓷圆环厚度、高度和平均半径的变化规律,并根据仿真结果确定了换能器敏感元件的最优设计方案.将由最优参数得到的两个压电复合材料圆环轴向叠堆,制作了双圆环叠堆复合材料换能器.经测试,该换能器形成了明显的双模耦合振动,该换能器谐振频率为375 kHz,其-3 dBd工作带宽为90 kHz,最大发送电压响应达148 dB.实现了换能器的高频、宽带、水平全向发射声波的设计目标.     

弹光调制压电晶体驱动控制器的设计

针对弹光调制器需要高压、小电流双向正弦电源的工作特点,设计了一种压电晶体驱动控制器,主要由功率放大电路、充放电回路、LC谐振电路等部分组成。它能提供正负输出,并能对压电晶体进行快速充放电。输出正弦电压频率为50.018 kHz,峰-峰值电压可达1 500 V,ZnSe晶体的最大振动位移可以达到4.5μm。实验结果表明,该驱动控制器可满足压电晶体的驱动要求。