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.     

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.     

梯度负泊松比蜂窝材料的冲击动力学性能分析

借助非线性有限元程序LS-DYNA,基于功能梯度材料的概念,改变蜂窝胞壁厚度,建立了具有密度梯度的内凹六边形负泊松比蜂窝材料模型.分析对比了均匀负泊松比蜂窝材料和梯度负泊松比蜂窝材料在不同面内冲击速度下的变形模式、动态响应和能量吸收特性.研究表明,梯度负泊松比蜂窝材料的动态响应和能量吸收能力受梯度、胞元内凹角度和冲击速度的影响.如果能适当选取各项参数,就可使材料在降低初始应力峰值的同时保持良好的能量吸收能力.因此,具有密度梯度的负泊松比蜂窝材料在结构防护方面具有良好的应用前景.     

负泊松比蜂窝夹层板的多周期运动研究

发展高维Melnikov方法研究含参非线性动力系统的多周期解分岔问题,并应用于研究负泊松比蜂窝夹层板的多周期运动等复杂非线性动力学行为.通过建立曲线坐标与Poincaré映射,发展适用于四维含参非线性动力系统的Melnikov函数,获得系统多周期解的存在性及个数判定定理.将所得理论结果应用于研究面内激励与横向激励共同作用下负泊松比蜂窝夹层板的多周期运动,获得系统周期轨道的存在性、个数及相应的参数控制条件.探讨横向激励系数对系统动力学行为的影响,得到在一定参数条件下,系统最多存在4个周期轨道,并利用数值模拟方法给出其相图构型,验证理论结果的正确性.     

压电超材料单元设计及在弹性梁减振中的应用

超材料是将不同性质的材料按照某种规律组合在一起形成的一种周期材料.由于其对弹性波的传递会产生带隙效应,因此在噪声控制、减振隔振等领域得到重视.本文设计了一种压电超材料,通过压电材料元胞的周期性排列,产生频率带隙,以获得减振效果.结构尺寸及厚度小,可以粘贴在主结构上.首先分析了设计的压电超材料色散特性;其次,利用压电超材料对悬臂梁结构进行了减振研究,分析了若干个元胞组成的压电超材料对梁振动能量的调控,并结合压电片上的电压曲线;最后,研究了分流电路中的电阻值和电感值对压电超材料梁减振特性的影响.提出此类压电超材料的进一步改进方向.     

微惯性测量单元的减振结构设计与仿真分析

基于谐振式MEMS陀螺的微惯性测量单元(MIMU),在工作时其性能会受到来自内部与外部振动干扰的影响。在分析了影响MIMU性能的振动来源和传统减振方式的不足的基础上,提出一种基于阻尼合金的新型减振方案和相应的MIMU结构设计,并设计了仿真实验分析其力学性能和阻尼衰减特性。结果表明:采用该阻尼合金的方案,MIMU减振结构的各项力学指标均符合要求,并且具有良好的减振抗干扰特性。     

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.     

树形分叉压电振动俘能结构设计及实验验证

对于实际环境中的宽频弱激励振动能量,传统的压电俘能结构效率不高.本文针对这种弱基础激励,为了提高俘能效率,设计了一种树形分叉倒立梁结构,梁的根部粘贴了压电材料,结构在基础激励下可以产生大幅振动与输出.首先分析了结构的振动特性,然后开展了实验研究.由研究结果可以看出,在水平宽频随机激励下,梁的振动可以产生比较大的电能输出.其次,在此基础上对结构进行了改进,在中梁自由端增加了质量块,利用其惯性力激励俘能器产生更大的输出.实验结果表明,改进后的结构在弱随机激励下电能输出可以大幅提高.当激励功率谱密度PSD为0.045 g2/Hz时,在尺寸为20 mm×10 mm×2 mm的压电片上,电能输出的RMS功率可以达到61.72 μW,是未改进结构的2.32倍.     

MEMS矢量水听器减振结构的设计与研究

在MEMS矢量水听器现有结构的基础上,设计出一种新型减振结构,期望利用该封装结构衰减水听器工作时安装平台的振动噪声,削弱安装平台振动对水听器测量精度的影响,提高水听器的抗噪能力。结合理论分析确定减振材料并采用有限元软件进行仿真,对矢量水听器先后采用原有封装结构和减振封装结构进行封装,并通过振动台实验和驻波桶灵敏度测试。测试结果表明：该结构可有效实现对MEMS矢量水听器干扰信号的衰减,同时基本不影响水听器的接收灵敏度。     

Topology optimization of multi-material negative Poisson’s ratio metamaterials using a reconciled level set method

Metamaterials are defined as a family of rationally designed artificial materials which can provide extraordinary effective properties compared with their nature counterparts. This paper proposes a level set based method for topology optimization of both single and multiple-material Negative Poisson’s Ratio (NPR) metamaterials. For multi-material topology optimization, the conventional level set method is advanced with a new approach exploiting the reconciled level set (RLS) method. The proposed method simplifies the multi-material topology optimization by evolving each individual material with a single level set function and reconciling the result level set field with the Merriman–Bence–Osher (MBO) operator. The NPR metamaterial design problem is recast as a variational problem, where the effective elastic properties of the spatially periodic microstructure are formulated as the strain energy functionals under uniform displacement boundary conditions. The adjoint variable method is utilized to derive the shape sensitivities by combining the general linear elastic equation with a weak imposition of Dirichlet boundary conditions. The design velocity field is constructed using the steepest descent method and integrated with the level set method. Both single and multiple-material mechanical metamaterials are achieved in 2D and 3D with different Poisson’s ratios and volumes. Benchmark designs are fabricated with multi-material 3D printing at high resolution. The effective auxetic properties of the achieved designs are verified through finite element simulations and characterized using experimental tests as well.     

冲击减振器与非线性能量阱耦合系统的振动抑制研究

建立了冲击减振器与非线性能量阱耦合系统的新型吸振模型,数值模拟的结果验证了该吸振装置的高效性.分析了其参数对主结构振幅、能量耗散以及振动频率的影响,即使系统的初始输入能量变化范围较大,耦合装置也能取得很好的吸振效果.进一步的研究结果表明适当的间隙和较高的碰撞恢复系数既可以增加系统的碰撞运动次数,又能使系统在每次碰撞过程...     

转子系统振动的灰色关联控制方法研究

将灰色关联控制理论应用于转子系统的振动主动控制,设计了转子系统振动的灰色关联控制方案．该方案依据转子工作曲线和实测曲线的关联度实现对转子振动的控制,因此不需要转子系统的精确的数学模型,具有建模迅速,控制及时、准确,便于工程实现等优点．将该方案应用于一带电磁阻尼器的单盘转子系统的振动主动控制中,仿真结果验证了该控制方法的有效性．     

索末菲效应对自同步系统的影响分析

单自由度二转子系统作为最经典的自同步系统,广泛应用于工程领域.本文利用Lagrange方程建立了单自由度二转子系统动力学模型,并基于动力学模型建立了MATLAB/Simulink仿真模型.首先对参数完全对称的系统进行了数值仿真,并分析了对称情况下的索末菲效应.然后,通过在仿真模型中选取不同参数对系统施加扰动,研究了不同参数下的自同步现象,考察了系统受到扰动后的稳定性和恢复自同步的能力.最后,对仿真中出现的自同步现象进行了分类,同时给出了系统恢复自同步的能力与给定的参数之间的关系.结果表明,选取不同参数的情况下,系统的自同步现象可分为三类：转子工作在系统近谐振区时的同相位同步、转子工作在系统远谐振区时的反相位同步两种稳定自同步,和转子工作在系统剧烈谐振区受到扰动后响应呈现随机性的不稳定同步;当转子工作在系统近谐振区时,同步恢复能力最强.仿真结论可为更复杂振动系统的自同步现象研究提供参考.     

基于ANSYS的转子系统不平衡响应分析

通过对某离心机转子系统进行受力分析,得到可以计算的数学模型.利用有限元分析软件AN-SYS建立其有限元模型,获取不同工况下的不平衡响应曲线、峰值和共振频率.通过分析可知在目前使用工况下工作转速低于一阶临界转速,转子主轴属于刚性转子.离心机不平衡响应大小受转速、激振力、每组筒体配重差等因素影响,动平衡研究主要是解决粉体压...     

热致轴向窜动引发的双盘转子扭转振动分析

以航空发动机整机系统的结构特点及复杂的运行环境为研究背景,运用Lagrange方法建立双盘转子在不平衡激励和轴向窜动影响下的弯扭耦合动力学模型;针对温度非均匀分布以及热膨胀性质引起的转轴轴向窜动,导出转/静盘面接触时环带面摩擦力与摩擦力矩表达式;最后采用4阶Runge-Kutta方法对系统进行数值求解.对系统进行动力学分析的结果表明,对于非对称双盘转子结构,热膨胀所积蓄的温度内力引发的转子轴向窜动将改变转子系统的固有特性,所产生转静件盘面环带面摩擦力与力矩,是造成转轴扭转振动的关键因素之一.