细直梁弯曲振动中的局域共振带隙

通过将声子晶体中的局域共振思想引入到细直梁的结构设计中,构造了一种具有低频局域共振带隙的周期结构细直梁。采用传递矩阵法计算了周期边界条件下该细直梁弯曲振动中的弹性波能带结构,计算结果表明该结构中存在低频弯曲振动带隙。采用有限元法计算了有限周期该细直梁的振动传输特性。以有机玻璃、橡胶/铜块振子构成的该局域共振细直梁为例,采用振动试验方法对其振动传输特性进行了测试。试验结果同理论及仿真结果相吻合。结果表明,局域共振结构可大大降低带隙频率,并增大带隙衰减。梁类结构是噪声及振动控制领域研究的主要对象之一,局域共振结构的应用为其提供了一种新的思路。     

周期结构细直梁弯曲振动中的振动带隙

通过将声子晶体中的周期结构思想引入到细直梁的结构设计中,构造了一种二组元变截面周期结构细直梁。采用平面波展开法计算了无限周期条件下该细直梁弯曲振动中的弹性波能带结构。计算结果表明,在该细直梁中存在振动带隙。晶格尺寸、材料组分比、截面尺寸对振动带隙的影响也进行了讨论。采用有限元法计算了有限周期的细直梁的振动传输特性,计算得到的振动传输特性曲线上的频率衰减范围与平面波计算得到的带隙位置基本吻合。最后以有机玻璃及铝构成的细直梁为例,采用振动试验对其振动传输特性进行了测试。试验结果同理论计算及仿真结果基本吻合。梁类结构是噪声及振动控制领域研究的主要对象之一,周期结构细直梁中存在弯曲振动带隙为梁类结构的减振提供了一种新的思路。     

二维声子晶体薄板的振动特性

从薄板的振动方程出发,利用平面波展开法,给出了无限周期结构的二维声子晶体薄板的振动能带结构。发现二维声子晶体薄板存在振动带隙,但是与二维声子晶体xy模态的能带结构有区别。利用有限元法,对有限周期结构的声子晶体薄板振动频率响应进行仿真。在带隙频率范围内,频率响应存在较大衰减。并且给出了带隙内和带隙外两个频率点的波场分布。周期结构薄板中存在的振动带隙为声子晶体在减振方面的应用提供了一种新思路。     

负泊松比星型周期格栅结构的振动带隙特性

基于声子晶体的能带结构理论,结合弹性波动方程与Bloch定理建立结构单胞的动力学方程,研究负泊松比星型周期格栅结构的面内纵向振动与面外弯曲振动的带隙特性,发现其存在丰富的禁带特性,且在较低频率范围内存在稳定的宽大带隙。对比了2种振动模式的能带结构,研究了内凹夹角、长细比等几何参数对结构等效弹性参数与带隙特性的影响,并分析了带隙频率处单胞的振动模态。研究结果表明：星型格栅中存在2种振动都被抑制的完全带隙;内凹夹角和斜梁的几何参数是影响低阶带隙的关键;旋转共振模态的出现导致最低带隙处简并态的打开。星型周期格栅结构的这些带隙特性使其在工程减振降噪中具有潜在的价值。     

充液周期管路的轴向振动带隙特性

充液管路的固液耦合振动广泛存在于各种工程领域中,对其振动控制进行研究具有重要意义。将声子晶体思想引入到管路结构设计中,将管壁设计成周期性结构,可以利用带隙特性实现管路的振动控制。利用平面波展开法,计算固液耦合条件下的周期管路结构轴向振动能带结构。计算表明,周期管路结构的轴向振动存在振动带隙,液体耦合效应使振动带隙的频率范围降低。同时分析泊松耦合、管壁厚度等因素对带隙频率范围和宽度的影响。充液周期管路结构的振动带隙特性为管路的振动控制提供了一条新的技术途径。     

基于声子晶体理论的舰船液压管路支承用隔振器轴向振动带隙特性研究

利用声子晶体理论,将隔振器设计成由金属和橡胶组成的一维周期性结构,利用其带隙特性实现舰船液压管路的振动控制。采用传递矩阵法和有限元法,对隔振器能带结构和频响函数进行仿真计算,分析材料属性、晶格常数和径长比等因素对带隙频率范围和宽度的影响,根据舰船液压管路振动频率范围,最终确定了隔振器结构尺寸及材料,并对其轴向振动传输特性和减振性能进行了数值仿真和试验验证。试验结果表明,该新型隔振器在600~10 000 Hz以内的频率范围内具有良好的轴向减振性能,能够有效地抑制管路振动向船体结构传播。本研究为舰船液压管路的振动控制提供了一条新的技术途径。     

二维开孔式局域共振声子晶体低频带隙研究

设计了一种二维开孔式局域共振声子晶体结构,结合有限元软件COMSOL计算了该结构的能带结构图及振动模态,并通过振动模态分析了该结构低频带隙产生的机理。研究结果表明,与传统的全连接结构相比,所设计的单元结构质量更加轻便,且带隙起始频率更低,可在42.34～119.81 Hz范围产生完全带隙。并在此基础上通过改变包覆层开孔半径及散射体的半径进一步分析了单元结构的带隙影响因素,其带隙的起始频率可低至29.72 Hz,可在29.72～91.93 Hz范围产生完全带隙,带宽为62.21 Hz。该结构所实现的低频带隙为声子晶体在工程实际中针对特定低频段的减振降噪应用提供了新思路。     

周期弹簧振子结构振动带隙及隔振特性研究

无限周期弹簧振子结构具有和声子晶体类似的振动(弹性波)带隙,带隙频率范围内的振动(弹性波)在该结构 中无法进行传播。在计算无限周期弹簧振子结构振动(弹性波)带隙的基础上,采用数值方法计算并讨论了有限周 期弹簧振子结构的振动传输特性及隔振特性,最后以双质量周期弹簧振子结构为例,对其振动传输特性及隔振特 性进行了试验验证。     

一维声子晶体振动带隙的带边模式研究

从一维声子晶体的波动方程出发,选用保持晶格对称性的原胞对声子晶体的能带结构进行解析分析.结果表明一维声子晶体带隙边缘的振动模式与其单个对称性原胞的固有振动模式完全一致,从而对一维声子晶体带隙特性的分析可以简化为对其单个对称性原胞固有模式的分析.研究表明,一维声子晶体中的振动模式是其各对称性原胞固有振动模式相互作用的耦合模式,在带隙边缘由于布拉格散射出现解耦效应,振动模式为解耦的驻波模式,从而与单个对称性原胞的固有振动模式一致.以有机玻璃及铝构成的声子晶体细直梁为例,采用振动试验对其振动传输特性进行测试,试验结果同理论分析结果基本吻合.这为声子晶体复杂梁杆结构的带隙特性研究及减振降噪设计提供了新的、简化的思路.     

贴附型局域共振声子晶体双层板的带隙特性

针对板面之间周期性贴附柱状散射体的局域共振声子晶体双层板结构,采用有限元法计算了该结构能带结构、特征模态所对应的位移场以及相应有限周期双层板结构的传输曲线,对其展现出的带隙特性进行了研究。数值结果和分析表明,当激励点和响应点位于上下异侧板时,一条起始频率低并且带隙宽的完全带隙可以被打开。该带隙的打开可以认为是共振单元的振动模态和上下板的板振动模态相互耦合作用的结果。同时,由双板间空气声腔所带来的声振耦合效应对带隙的影响可以忽略不计。此外,双层板结构展现出许多相应单板结构共同的带隙特性,但其拥有单板所无法比拟的宽带隙特性。通过改变结构相关参数,可以实现对带隙的有效调节。     

Analytic solutions for vibration characteristics of a multi-beam structure

The first purpose of this paper is to mathematically analyze the vibration characteristics of four parallel and uniform beams that are joined by a tip body at their free ends. This beam structure is often found in many mechanical structures such as robots, space constructions, and optical pickup actuators in optical disc drives (ODDs). To analyze the vibration characteristics of this beam structure, this paper considers the motions in all six directions that are coupled to each other. Mathematical expansion using the energy conservation law applied to this beam structure yields four characteristic equations, which are related to a pure-axial (PA) vibration, a coupled bending-torsional (CBT) vibration, and two coupled axial-bending (CAB) vibrations. In addition, the correctness of the equations is verified by showing that the natural frequencies from these equations match those from a finite element (FE) analysis.The second purpose of this paper is to contribute to the performance improvement of an optical pickup actuator for ODDs by analyzing key parameters of the characteristic equations. This is one of the few papers that analytically derives solutions for the natural frequencies and modes of optical pickup actuators in all six directions. From the perspective of practical usefulness for the design of optical pickup actuators, this paper describes how to reduce rotation in the two CAB beam vibrations by investigating the relationship between design parameters and rotating properties.     

High frequency spatial vibration control using H∞ method

A general feedback control approach has been developed to reduce the amplitude of high-frequency structural vibration modes without spending any control effort on reducing the vibration level of low-frequency modes. A procedure is outlined for developing a truncated structural model, which only includes the vibration modes of interest and takes account of the contributions of lower and higher-order modes in the frequency band of interest. Procedures for calculating the lower and higher order mode contributions are outlined, and a better model for estimating the contributions from the lower-order modes is developed by introducing a second-order term. The new controller so obtained has a lower order than standard feedback controllers and is also able to concentrate all the control energy on the modes resonant in the frequency band of interest. The control approach is further developed by using spatial output control to achieve a global attenuation of the structure for the desired frequencies and to allow the distribution of control energy among the controlled frequencies in any desired way. The general theory developed in this paper is validated experimentally using a cantilevered beam as a representative structure and controlling the fourth to the seventh-order vibration modes over a frequency range from 342 to 1125 Hz. Piezoelectric patches are used as a sensor and actuator and the global attenuation is measured using a scanning laser vibrometer.     

基于主振模态预测的带锯振动主动抑制系统

针对带锯条振动引起的材料损失、锯条寿命降低、锯材尺寸精度及加工面质量变差的状况,设计了一种基于主振模态预测的带锯条振动主动抑制装置。该装置实时采集带锯条横向、纵向及扭转方向上的多维度振动信号,并采用基于EMD筛分方法的主振型模态识别算法,来构建振动信号关于主振型模态的预测模型,最后基于实时采得的数据及其预测模型的输出量,通过PID控制方法控制电液阻尼减振器。实验结果表明,该装置对带锯条横向、纵向及扭转方向上的抑振效果分别可达80%、66%、75%。     

含多条裂纹梁的模态与振动疲劳寿命分析

基于Paris公式,提出了一种含多条裂纹梁疲劳寿命预估的方法。在模态分析中,基于传递矩阵方法,利用无质量的弯曲弹簧等效裂纹,提出一种求解含有多条裂纹梁固有振型的方法,分析裂纹数目、裂纹位置、裂纹深度对裂纹梁固有频率的影响。在振动疲劳分析中,研究了在简谐激励作用下裂纹数目对裂纹尖端应力强度因子的影响。通过Paris疲劳裂纹扩展方程和同步分析法,考虑裂纹梁振动与裂纹扩展的相互作用,分析了裂纹数目和裂纹位置对裂纹梁疲劳寿命的影响。结果表明,裂纹数量、裂纹位置和深度对梁的模态参数和疲劳寿命有重要影响。     

多带隙联合的声子晶体滤波梁弹性波传播特性

提出了一种包含Bragg散射、整体局域共振和局部局域共振机理的多带隙联合声子晶体滤波梁,通过传递矩阵法与Bloch定理求得无限周期结构各阶带隙为0～170 Hz、180～262.6 Hz、552.3～597 Hz、974～1 563 Hz、1 903～2 667 Hz;并调节结构参数,得出带隙调制规律和带隙机理。同时,与其他3种工况声子晶体梁带隙特征进行对比分析,证明了声子晶体滤波梁在带隙宽度、丰富度以及弹性波衰减率方面均有着相对优势,具备更好的过滤或抑制结构中弹性波的性能。此外,求解近声子晶体滤波梁的振动传递系数,得出在各阶带隙范围内,弹性波的传播存在明显衰减,验证了带隙的存在。最后为探究弹性波在带隙/通带范围内的波动模式,分别提取位于带隙/通带范围梁体位移分布,发现在带隙频率范围内的弹性波沿波动方向快速衰减,表现出带隙特性;通带频率范围内的弹性波无明显变化或衰减,表现出通带特性。     

Use of internally resonant energy transfer from the symmetrical to anti-symmetrical modes of a curved beam isolator for enhancing the isolation performance and reducing the source mass translation vibration: Theory and experiment

This study aims to use the internally resonant energy transfer from the symmetrical to anti-symmetrical modes of a simply supported curved beam isolator to enhance the isolation performance and reduce the source mass vibration. The model is setup and based on the differential equation of the Euler-Bernoulli beam. The dynamic modal displacements and forces are then obtained from the model using a numerical integration method. The numerical and experimental results indicate that when the ratio of the resonant frequencies of the first bending symmetric and anti-symmetric modes is close to 2 and the excitation frequency is equal to the resonant frequency of the first symmetric mode, the contribution of the first anti-symmetric mode is significant, even though the curved beam and excitation are symmetrical. The net modal force induced by the first anti-symmetric mode acting on the ground is much smaller than that of the first symmetric mode because the two reaction forces at the beam ends induced by the first anti-symmetric mode are equal but opposite. Further, the source mass translational vibration is significantly reduced because it is placed on the node of the anti-symmetric mode.     

多频响应的压电振动能量采集器的性能分析与测试

为了提升压电悬臂梁采集振动能量的能力,研究了一种具有多频振动响应的振动能量采集器。在压电悬臂梁与振动激励源之间增加一个附加梁,压电悬臂梁和附加梁的末端分别安装一个质量块,压电悬臂梁和附加梁垂直连接。附加梁的末端质量被设计为远大于压电梁的末端质量,而压电梁的一阶谐振频率在附加梁的前两阶谐振频率之间。采用该设计,压电悬臂梁的振动响应是多个谐振频带的叠加。通过建立机电解析模型,描述了所提出的振动能量采集器的振动响应和发电特性,同时制作了一个振动能量采集器样机进行试验,结果表明,与传统的悬臂梁振动能量采集器相比,所提出的振动能量采集器可以在更宽的频带范围内采集更多的振动能量。     

电子机柜振动夹具的动态结构设计

在电子机柜振动台夹具的动态结构设计中,提出以振型来分割子结构的方法,将夹具分割为靠背和底盘两大子结构。应用I—DEAS有限元软件仿真为手段,分析了夹具各个子结构的动态性能。并根据分析的结果,在夹具中增加了角板子结构。最后,完成了该夹具的分析和设计。该夹具测试结果表明能够满足电子机柜振动实验使用要求。