基于分支电路的主动-被动混合式结构振动控制

研究了压电智能结构振动控制问题。采用基于分支电路的主动-被动混合的控制方法对结构振动进行抑制，通过在控制器中设置主动电感使得分支电路的谐振频率在一定范围内可以连续调节，以适应激励频率的变化。给出了系统的模型及控制算法，并进行了仿真及实验研究。仿真及实验研究的结果表明该方法能有效地抑制结构振动，并且其鲁棒性明显好于Filter-x算法。     

压电分流阻尼控制精密机械结构振动的研究

采用负阻抗变换器解决了压电分流电路中大亨值线绕电感的内阻影响抑振效能的问题.对硬盘驱动器(HDD)的磁头驱动臂这种典型精密机械结构的振动响应进行了压电分流阻尼抑制实验,对比分析了电路构型和参数优化方法对抑制效果的影响,研究了在高频微振动情况下,结构振动响应幅值对压电分流电路的抑振效果的影响.实验结果表明,改进的压电分流阻尼技术能有效抑制HDD驱动臂及磁头的瞬态和稳态振动响应.     

负电容压电分流阻尼系统的能量耗散特性

在半主动压电分流阻尼技术中,采用不同结构负电容分支电路时,系统具有不同的阻尼特性.将负电容半主动分支网络分为串联电容/电阻支路、串联电容/电感/电阻支路、并联电容/电阻支路,获得了不同支路时系统的机械阻抗,比较分析了系统能量耗散因子及刚度比,发现串联电容/电感/电阻支路能获得更宽更高的中低频阻尼性能,而并联电容/电阻支路的高频阻尼性能较好.     

谐振式压电叠堆的高效换能结构研究

压电叠堆具有纵向机电耦合系数高、耐疲劳性强的特点,但在低频振动条件下,压电叠堆的机电转换效率低,从而限制了其在结构振动能量收集方面的应用。通过将谐振频率接近结构振动频率的谐振器附加在压电叠堆表面形成谐振式压电换能系统,可以有效提高谐振频率附近的机电能量转换效率。本文对谐振式压电换能结构进行参数建模,以压电叠堆所受纵向力与结构激励力的比值衡量谐振式压电叠堆的换能效率,确定系统有效换能频带的宽度与系统的结构设计参数的关系,从而给出谐振式压电换能系统参数优化设计方法。谐振式压电换能结构的实验表明谐振器能有效增加较低振动频率下的机电能量转换效率,提高输出的开路电压     

充液压电阻尼圆柱壳的有限元建模

基于Mindlin板理论、压电理论、粘弹性理论和理想流体方程，对充液圆柱壳主动约束阻尼结构在流固耦合条件下的建模进行了研究。利用拉格朗日方法得到结构的动力学方程，利用GHM方法描述粘弹性阻尼的本构关系，结合流体方程建立主动约束阻尼结构在流固耦合条件下的动力学方程。建立从压电材料的电压到流固耦合边界下的圆柱壳结构振动的频响函数，利用实验结果对理论计算加以验证，结果表明该建模方法是可行的。     

谐振放大压电声学超材料梁带隙特性研究

声学超材料具有亚波长带隙,可应用于结构振动与噪声控制。引入压电材料和谐振分流电路,可以利用电磁振荡和压电材料机电耦合特性在超材料内部形成可调谐局域共振带隙。传统压电声学超材料受到已有压电材料机电耦合系数的限制,带隙一般较窄,无法满足大柔性结构振动与噪声控制中低频宽带需求。因而,该文提出一种谐振放大压电声学超材料梁结构。将压电片划分为传感极和驱动极,传感极输出电压经过运算放大电路放大,然后与谐振电路相连,实现局域共振效果的增强,从而增大带隙宽度。采用有限元方法建立压电声学超材料梁带隙计算模型,分析了带隙位置和宽度随电路放大倍数的变化,研究了等效弹性模量与带隙的关系;利用商用有限元软件仿真分析了有限周期梁的振动传递特性,验证了带隙计算方法的正确性。研究结果表明,放大电路有效增强了电路的局域共振效果,随着放大倍数的增大,带隙频率降低,带隙宽度增大。     

压电陶瓷支承对梁的横向振动与支反力抑制作用EI北大核心CSCD

当多跨结构受到横向载荷产生振动时,支承与基座衔接处往往产生较大的支反力。针对该问题,以双支承的梁系统为例,基于压电换能原理,采用柱状压电陶瓷支承作为减振元件,并对其减振效果进行了理论分析。利用Hamilton原理推导了压电机电耦合边界条件下该系统的振动微分方程。结合有限元法和偏微分方程数值计算方法,对不同种类压电材料的机电耦合系统进行了模态分析和动力学响应计算。计算结果表明,压电陶瓷支承可以有效抑制多跨结构中支承传递到基座的振动和支反力。     

分支电路压电阻尼系统的分析模型和基本特性

首先利用Hamilton原理推导了分支电路压电阻尼减振系统分析模型的一般表达式。然后,分别研究了具有电阻型、电感型、电阻-电感并联型和电阻-电感串联型分支电路的压电阻尼单自由度系统减振问题的分析模型,进行了相应的幅频特性的数值仿真,讨论了它们的基本特性及电学和机械参数变化对系统响应的影响等问题。最后给出结论以及今后要研究的问题。     

风力机叶片压电抑振效应与能量耗散机制研究

压电智能叶片是随着风力机向大型化发展而被提出的自适应减振概念叶片，本文探索了叶片压电抑振效应和能量耗散机制，提出了适用于变截面三维叶片的等效梁截面气弹模型设计方法，并基于同步测振测力气弹风洞试验对比研究了15 MW风力机叶片压电抑振效应；再基于二次开发的机电耦合叶片动力学模型，分析了机电气弹耦合模态的转速演变规律与能量分布形式，揭示了压电叶片的能量耗散机制。研究表明：提出的气弹风洞试验方法可有效反映压电叶片风振抑制效果；压电材料可缩小风力机叶片的敏感风向角区间，提高大幅锁频振动临界风速，延长气弹失稳的能量积累时间；压电材料导致叶片风振能量在模态空间均分转移，削弱了负阻尼模态的能量集聚，增强了正阻尼模态的能量耗散。     

负电阻电磁分支电路阻尼隔振系统试验技术研究

给出了一种负电阻电磁分支电路阻尼隔振器,并开展了板结构的隔振试验技术研究。首先,分析了该隔振器的工作原理,给出了负电阻分支电路原理图,建立了板隔振系统的控制方程。其次,设计了板结构隔振试验测试系统,开展了板结构在正弦扫频,正弦定频,以及半正弦冲击载荷作用下的振动控制特性试验研究。测试结果表明,负电阻电磁分支电路阻尼隔振器能够有效地抑制结构的振动。     

基于拓扑优化的压电分流阻尼抑振实验研究

将结构拓扑优化引入压电分流振动抑制中,以压电元件的分布面积为设计变量,压电元件产生的电荷最大化为优化目标,对压电元件的拓扑进行了优化以获得最佳抑振效果。针对悬臂梁结构,得到了对不同的结构模态进行抑制时的压电元件最优拓扑构型。建立了带有压电分流阻尼系统的悬臂梁振动控制实验模型,将压电元件拓扑优化后的压电分流阻尼系统应用于悬臂梁多阶弯曲模态的振动响应抑制实验,并对比分析了带最优拓扑和非优拓扑压电元件的悬臂梁压电分流阻尼抑振效果。结果表明,对压电元件进行拓扑优化可以明显提高压电分流阻尼系统的抑振效果。     

基于布局优化的压电分流阻尼抑振实验研究

建立了带压电分流阻尼系统的四边固支正方形弹性薄板振动控制的实验模型。针对其前五阶模态振动响应的抑制问题,以压电元件存储的电能最大化为优化目标,对采用多个压电元件的压电分流阻尼系统进行了布局优化分析。将压电元件布局优化后的压电分流阻尼系统应用于弹性薄板的多阶模态振动响应的抑制实验,分别研究了不同压电元件数量和布局对抑振效果的影响。在压电分流阻尼抑振实验中,与分流电路开路时相比,电路闭路后弹性薄板的频响函数在对应的模态频率处的幅值分别降低了11.90dB、16.94dB、16.94dB、19.91dB和16.77dB,说明经过布局优化后的压电分流阻尼系统使弹性薄板的前五阶稳态响应都得到了很好的抑制。同时也进行了非优化布局的压电分流阻尼抑振实验,实验结果对比表明,对压电元件进行布局优化可以明显提高压电分流阻尼系统的抑振效果。     

耦合吸振器的正负刚度并联系统的隔振性能研究

基于动力吸振原理,设计了耦合线性吸振器的正负刚度并联隔振系统。建立了系统的动力学方程,运用平均法进行解析求解,推导了动态响应频域解析解和传递率表达式,数值分析了吸振器的质量、刚度和阻尼对耦合系统隔振性能的影响规律,并与正负刚度并联系统进行了比较。结果表明,选择合适参数的吸振器,可在保有正负刚度并联系统的优良隔振性能的基础上,降低一定频域内被隔振体的振幅,减小系统起始隔振频率,扩大隔振频带宽,改善低频隔振效果。     

通过分流扬声器实现管道噪声控制

提出通过分流扬声器控制管道噪声。首先采用一个干扰扬声器放置在管道的一端作为噪声源,另一个扬声器外接分流电路组成分流扬声器对管道噪声进行控制,并建立管道-扬声器耦合模型。然后设计参数独立可调的分流电路,实现对分流扬声器的固有频率和阻尼比的独立调节,通过优化分流电路的参数,从而使得分流扬声器达到良好的控制效果。最后对所设计的分流扬声器的控制效果进行了数值计算。结果表明:所设计的分流扬声器能够有效控制管道内的声压。与传统的噪声主动控制方法相比,该方法的主要优点在于控制系统不需要误差传感器和控制器,结构简单,实际使用方便。     

一种新型隔振器的设计与分析

针对传统被动隔振器低频振动抑制性差的缺陷,设计了一种新型的电磁-橡胶主被动一体化隔振器,通过研究输出力特性来评估其减振性能,首先,利用等效磁路分析法对其磁路结构进行设计仿真以及动力学分析,并得到其电磁力计算公式。然后,基于COMSOL软件对作动器的输出力进行动态仿真分析,并得到电流及其频率对输出力特性的影响,最后,将特性实验结果与仿真结果进行对比分析。     

频率可调分流扬声器实验研究

分流扬声器是一种将声能转化为机械能进而转化为电能,最后以热能的形式耗散的新型共振吸声体结构,合理设计分流电路参数就可得到分流扬声器所需的固有频率。为了实现分流扬声器固有频率可调,文中提出了电感与负电阻电路串联的分流电路。实验结果表明,在通过负电阻电路抵消扬声器本身内阻后,扬声器固有频率随着电感值的增大而减小,可调范围介于开路与电阻趋于0且不加电感时的频率(98~278 Hz);将分流扬声器应用于管道噪声控制,当分流扬声器的固有频率与管道声模态匹配时,相应声压级可以降低8~10 dB。     

叶顶密封周向流动及流体激振抑制方法研究

控制叶顶间隙流体进口预旋及周向流动是减小密封流体激振力的主要方法。基于计算流体力学方法,通过在汽轮机某级叶顶间隙入口的动(围带)、静(汽缸)部件上增加新型微型叶栅,研究新型结构对叶顶间隙流体周向流动及流体激振抑制效果。结果表明:在新型微型叶栅的作用下,流体在叶顶密封入口由正预旋变为负预旋,密封有效阻尼系数由负变正,有效抑制了流体激振,提高了转子稳定性;将微型叶栅安装在围带上时对流体激振的抑制效果整体优于安装在汽缸上,且每两动叶片间数量为10个(围带叶栅)与6个(汽缸叶栅)时,转子系统稳定性最好。     

非线性能量阱振动抑制效果理论分析与试验研究

Aiming at eliminating the broadband line spectrum generated by the periodic rotation of submarine mechanical equipment, the vibration suppression effect was investigation and the structural parameter optimization of nonlinear energy sink (NES) were carried out under harmonic excitation. The dynamic model of mechanical equipment coupled with the nonlinear energy sink was established, and the periodic motion and stability of the coupled system were analyzed by incremental harmonic method, arc-length continuation method and Floquet theory. The influence of damping, mass ratio and stiffness on the vibration suppression effect of the nonlinear energy sink was discussed by taking the system vibration energy as evaluation criterion. Furthermore, the optimized damping and stiffness were obtained through local optimization algorithm, also the robustness of the vibration suppression effect was studied. The results show that the proposed method is in good agreement with Runge-Kutta numerical method, which can effectively construct the complete image of the coupled system periodic solution. Besides, weak damping is a prerequisite for a nonlinear energy sink to have good vibration suppression effect and robustness within a range of 20% of excitation frequency and of 50% amplitude after parameter optimization. A NES, parallel with vertical linear springs and constituted by flexible hinges under preloaded state, was proposed and related test research was also carried out to verify the theoretical findings.     

层间过渡约束阻尼结构动力响应的分布参数传递函数解

针对传统约束阻尼结构振动能耗散有限问题,引入“层间过渡层”设计的概念,提出一种层间过渡约束阻尼结构,采用分布参数传递函数法对该结构进行了动力响应分析。经推导,得到了阻尼结构的各阶损耗因子和频率的解析解,并进行了有限元仿真验证,二者计算结果吻合良好。以悬臂阻尼板为例,探讨了过渡层参数行为对其频响特性的影响,结果表明,在结构振动时,过渡层可将变形传递给阻尼层,起到放大阻尼层的剪切变形作用,从而耗散更多的振动能量;同时还讨论了过渡层的厚度、剪切模量、密度与泊松比对结构固有频率和损耗因子的影响,为进一步优化工作打下了良好基础。     

Optimal electromechanical bandgaps in piezo-embedded mechanical metamaterials

Elastic mechanical metamaterials are the exemplar of periodic structures. These are artificially designed structures having idiosyncratic physical properties like negative mass and negative Young’s modulus in specific frequency ranges. These extreme physical properties are due to the spatial periodicity of mechanical unit cells, which exhibit local resonance. That is why scientists are researching the dynamics of these structures for decades. This unusual dynamic behavior is frequency contingent, which modulates wave propagation through these structures. Locally resonant units in the designed metamaterial facilitate bandgap formation virtually at any frequency for wavelengths much higher than the lattice length of a unit. Here, we analyze the band structure of piezo-embedded negative mass metamaterial using the generalized Bloch theorem. For a finite number of the metamaterial units coupled equation of motion of the system is deduced, considering purely resistive and shunted inductor energy harvesting circuits. Successively, the voltage and power produced by piezoelectric material along with transmissibility of the system are computed using the backward substitution method. The addition of the piezoelectric material at the resonating unit increases the complexity of the solution. The results elucidate, the insertion of the piezoelectric material in the resonating unit provides better tunability in the band structure for simultaneous energy harvesting and vibration attenuation. Non-dimensional analysis of the system gives physical parameters that govern the formation of mechanical and electromechanical bandgaps. Optimized numerical values of these system parameters are also found for maximum first attenuation bandwidth. Thus, broader bandgap generation enhances vibration attenuation, and energy harvesting can be simultaneously available, making these structures multifunctional. This exploration can be considered as a step towards the active elastic mechanical metamaterials design.