双周期声子晶体梁弯曲振动带隙特性分析

提出一种双周期五组元声子晶体梁结构,用以研究弯曲波的带隙特性。在无限结构条件下,将其等效为铁木辛柯梁,利用传递矩阵法推导、计算其能带结构,并与简单二组元声子晶体梁结构的带隙进行对比分析,结果表明内部周期的存在主要影响带隙的宽度。在有限结构条件下,利用有限元法研究双周期五组元声子晶体梁的振动传递特性,证明理论推导的正确性,并得到双周期五组元声子晶体梁的弯曲波衰减特性。结果表明,双周期五组元声子晶体梁可以看作是一种滤波器,弯曲波沿波传播方向在禁带中逐渐衰减,而在通带中传播不衰减。最后讨论参数对带隙的影响,研究发现内部周期的存在能够解决低频与宽频相悖的问题,通过改变内部周期数,能够成功产生低频、宽频带隙,可为低频减振降噪设计提供新的思路。     

含有周期分布转动振子的声子晶体梁的弯曲振动带隙研究

将转动振子周期布置于基体梁上形成声子晶体梁,受到外激励时,转动振子对基体梁产生动态反力矩作用。基于欧拉梁理论,采用传递矩阵法计算得到含转动振子的声子晶体梁的复能带结构。计算结果表明,转动振子可以使得声子晶体梁产生窄频带局域共振带隙和宽频带Bragg带隙。分析转动振子的转动惯量和转动刚度对带隙的调控作用,得到带隙变化的一般规律。转动刚度恒定时,减小转动惯量会拓宽局域共振带隙。转动振子频率恒定时,过大或过小的转动刚度会减小局域共振带隙带宽。同时提高转动惯量和转动刚度可以有效拓宽Bragg带隙。针对有限长的含转动振子的声子晶体梁,用谱单元法计算振动传递率,验证了含转动振子的声子晶体梁的带隙特性。该研究为声子晶体的带隙设计提供了理论依据。     

薄板声子晶体的弯曲振动特性

利用Patran软件建立薄板声子晶体的有限元模型,通过仿真计算,可以得到一定带隙频率在164～ 353 Hz之间。提出薄板弯曲振动的Z模式简化模型,分析基体密度等材料参数、包覆层厚度及约束对带隙的影响。利用亚克力、钢、硅胶材料制作声子晶体样件,并进行传输特性实验,得出2 000 Hz的频率范围内存在明显的带隙,且振动衰减幅值达到40 dB以上,为声子晶体在车用板状材料减振的具体应用提供依据。     

并联双振子声子晶体梁结构带隙特性研究

为使声子晶体结构实现范围更宽的多带隙特性,基于单振子型声子晶体结构弯曲振动带隙频率范围窄的局限,提出了一种双侧振子布置形式的局域共振声子晶体梁结构,并基于传递矩阵法和有限元法对其进行了无限周期和有限周期的带隙计算,分析了双带隙配合减振的特性;试制了声子晶体梁样件并进行传递特性试验,通过仿真计算与试验结果的对比,验证了有限元法对有限周期结构带隙预测的准确性和有效性;最后基于有限元方法探讨了周期数和晶格常数对双振子梁带隙特性的影响。为并联式双振子声子晶体结构的工程应用提供了理论依据和工程参考。     

一维杆状声子晶体的带隙特性

用有限元方法计算了一维杆状声子晶体的振动传输特性及其振动模态,从振形角度分析了一维杆状声子晶体相关参数(物理参数、尺寸参数)对带隙起始频率及带隙宽度的影响,发现带隙的形成与其模态振形密切相关,各参数对声子晶体带隙的影响主要是影响了个模态所在的频率,从而改变了其带隙的起始位置及宽度。     

一类声子晶体角梁的振动带隙研究

针对声子晶体直梁的低维窄带减振特性的不足,提出了一类声子晶体角梁。采用传递矩阵法对角梁进行了理论分析和数值求解,并进行了有限元仿真验证。分析结果表明：声子晶体角梁能够通过纵向振动和弯曲振动的转化使得组成梁的两种带隙同时得以发挥减振作用,从而有效地实现了宽频多维减振;声子晶体角梁的构造角度对其减振性能有明显的影响,90度角梁减振能力明显优于45度和135度情况;当加载角由0度向90度变化时,角梁内的振动由纵向振动为主逐渐过渡到弯曲振动占主导地位,弯曲带隙内的衰减也随之更加显著,反之亦然;扭簧能够加强角梁的“弹簧-振子”效应,不仅可以增加总振动带隙的宽度和衰减量,而且提高了低频区减振能力。     

声子晶体串联组合杆振动带隙研究

将声子晶体思想引入串联组合杆结构,构造二组元声子晶体串联组合杆结构。采用传递矩阵法对其进行理论分析及数值计算,并通过有限元仿真验证理论分析结果。对给定的减振要求进行遗传算法最优化求解。研究表明,由于面内、外振动耦合作用,在杆件结合处声子晶体串联组合杆能实现波型转换,弯曲、纵向、扭转带隙可同时被利用,可获得三维宽频减振能力;各子杆间夹角对减振性能有显著影响,可利用遗传算法对所需带隙范围进行声子晶体串联组合杆夹角最优化设计;加载角对各夹角组合形式的声子晶体串联组合杆减振性能影响规律类似,即加载角为0°或90°时该结构减振能力明显优于其它加载情况。     

一种圆柱壳类声子晶体振动带隙及振动特性研究

圆柱壳类结构在结构设计中应用广泛,其振动噪声问题十分普遍。基于二维板类声子晶体提出了一种基于布拉格散射机理的圆柱壳类声子晶体模型。该模型利用圆柱壳的动力学方程理论和Bloch周期条件,建立其结构有限元模型并分析其振动特性。针对一半径为0.1 m的圆柱壳声子晶体结构,利用有限元法计算能带结构,并分析其振动带隙的特性。为了验证带隙准确性,利用有限元法对多个周期结构圆柱壳模型进行了振动传递分析,获得的振动传递函数曲线与能带带隙相匹配,同时给出了带隙外和带隙内的两个不同频率点的位移场分布。结果表明,与板类结构相似,圆柱壳声子晶体同样具有良好的沿轴线和圆柱环两个方向的带隙或全禁带隙,其振动传递损失也验证该结论。     

含有周期分布转动振子的声子晶体梁的弯曲振动带隙研究EI北大核心CSCD

将转动振子周期布置于基体梁上形成声子晶体梁,受到外激励时,转动振子对基体梁产生动态反力矩作用。基于欧拉梁理论,采用传递矩阵法计算得到含转动振子的声子晶体梁的复能带结构。计算结果表明,转动振子可以使得声子晶体梁产生窄频带局域共振带隙和宽频带Bragg带隙。分析转动振子的转动惯量和转动刚度对带隙的调控作用,得到带隙变化的一般规律。转动刚度恒定时,减小转动惯量会拓宽局域共振带隙。转动振子频率恒定时,过大或过小的转动刚度会减小局域共振带隙带宽。同时提高转动惯量和转动刚度可以有效拓宽Bragg带隙。针对有限长的含转动振子的声子晶体梁,用谱单元法计算振动传递率,验证了含转动振子的声子晶体梁的带隙特性。该研究为声子晶体的带隙设计提供了理论依据。     

一维杆状结构声子晶体扭转振动带隙研究

从椭圆杆的扭转振动方程出发，利用平面波展开法，给出了无限周期结构的一维声子晶体杆的扭转振动能带结构。发现一维声子晶体具有扭转振动带隙，并且分析了椭圆形状对带隙频率的影响。利用有限元方法计算了有限周期结构的椭圆杆的扭转振动频率响应，在带隙频率范围内频率响应具有明显的衰减。扭转振动是噪声及振动控制领域研究的主要对象之一，周期结构杆中存在扭转振动带隙为减振理论与应用提供了一种新的思路。     

二自由度振子型的二维LR声子晶体弯曲振动带隙研究

为了抑制板件的低频振动,提出了一种由二自由度振子周期性排列的二维LR (Locally Resonant)声子晶体,实现了低频范围内的双带隙。运用平面波展开法计算了该声子晶体结构的带隙特性,并通过有限元法和样件试验得到的振动传递特性验证了带隙计算结果的准确性。通过对含二自由度振子的元胞模态振型计算,进一步揭示了该结构低频双带隙的产生机理;振子的平动和转动的两种振型相互耦合作用可以形成两个低频弯曲波带隙,并根据简化模型推导出双带隙起始和截止频率计算方法;分析了弹簧刚度、弹簧距离、振子质量和转动惯量对双带隙的影响。结果表明,通过合理选择设计参数可以获得低频范围内的双带隙特性,为声子晶体在汽车板件多频减振的应用研究上提供了新的方法。     

轴向载荷周期结构梁的弯曲振动带隙特性

各种载荷广泛存在于结构振动中,影响结构的振动特性。利用传递矩阵法,建立了轴向载荷周期结构梁弯曲振动特性理论模型,能够计算轴向载荷周期结构梁弯曲振动的能带结构和传输特性。研究表明,轴向载荷周期结构梁弯曲振动存在带隙,并分析了轴向载荷对带隙频率范围和衰减的影响。通过调节载荷条件,可以实现了超低频带隙特性。通过调节轴向载荷的大小和方向可以提高带隙的适应性。     

二维声子晶体带隙特性分析与应用研究

声子晶体在减振方面拥有广泛应用前景,而带隙分析是将其付诸应用的首要前提。先利用有限元法研究结构与材料参数对带隙的影响,接着基于带隙特性分析的结果,根据实验所得的典型船用离心泵机脚的振动特性,设计以硅橡胶为基体、铅为散射体的声子晶体薄板。将声子晶体引入舱段减振设计中并进行相应的数值响应验证,结果表明:将所设计的声子晶体薄板插入舱段的内底板,在带隙作用范围内可有效阻抑振动传递,并降低舱段外壳的振动响应。     

层状双周期结构声子晶体带隙特性研究

设计了一种层状五组元双周期结构声子晶体,并将其等效为一维声子晶体,采用传递矩阵法推导出了该结构的能带结构;在该带隙范围内弹性波或声波的传播能够得到有效抑制,实现对噪声的控制。同时,分析了取消内部周期以后第一带隙的变化以及改变硅橡胶层厚度对第一带隙的影响。结果表明,该结构与简单二元结构相比,在降低带隙频率的同时有效减轻了结构质量,且"内部周期"主要影响带隙宽度;当增加硅橡胶层的厚度时,带隙频率进一步降低。     

双局域共振机制声子晶体带隙特性研究

提出了一种双局域共振机制,结合有限元法对该机制声子晶体结构的带隙生成机理和带隙的影响因素进行了深入分析研究。2个刚性质量体互为刚性边界和振子,由此产生了2个可以互相转化的局域共振单元。双局域共振结构的带隙位置由2个等效单自由度系统的固有频率共同决定,带隙的宽度与2个质量体密度、内振子半径、弹性介质的弹性模量密切相关。研究发现,2个质量体密度差别越大、弹性介质弹性模量越高,带隙的宽度就越大。该机制在一定程度上削弱了基体与振子的紧密耦合关系,该结构具有较大的带隙变化范围,极大地增大了带隙的宽度,为宽频声子晶体结构的研究提供了新的思路。     

金属/丁腈橡胶杆状结构声子晶体振动带隙研究

采用平面波方法计算了金属 /丁腈橡胶一维杆状结构声子晶体振动带隙 ,讨论了晶格尺寸、材料组分比、金属密度对声子晶体振动带隙的影响。采用有限元方法计算了材料阻尼特性对振动带隙的影响 ,计算表明 :丁腈橡胶阻尼特性不影响振动带隙的起始频率。金属 /丁腈橡胶杆状结构声子晶体的振动实验验证了文中的主要结论     

基于COMSOL局域共振声子晶体薄板振动带隙研究

针对低频振动控制问题,研究一种局域共振声子晶体薄板的振动带隙。首先,基于弹性波方程及Bloch定理,探讨应用COMSOL有限元模拟方法开展声子晶体振动带隙计算的可靠性;然后,模拟计算所设计的局域共振声子晶体薄板的振动带隙,分析其带隙结构和元胞结构参数对振动带隙的影响,并以200 Hz～400 Hz的中低频为目标频段,通过选择带隙宽度在目标频段内占比最大的参数组合作为声子晶体薄板的最优设计方案;最后,在频域上考察声子晶体薄板内波的传输特性。研究表明,利用COMSOL有限元模拟方法开展声子晶体振动带隙计算是可靠的,与数值计算方法相比,其计算的带隙参数误差都很小;对于所设计的局域共振声子晶体薄板,元胞的结构参数对振动带隙具有显著影响,通过优选元胞结构参数,可使声子晶体薄板的振动带隙向低频区域移动;薄板内波的传输特性和薄板的振动位移图进一步证实了在振动带隙内薄板对波传播的阻碍作用。     

基于遗传算法的声子晶体梁振动传输特性优化设计

以工程中常用的梁类结构为背景,研究了利用声子晶体带隙来抑制梁中振动传播的设计方法,在考虑附加质量、振幅等约束条件下,用遗传算法来优化设计声子晶体梁的力学参数,从而实现"按需设计".基于传递矩阵法建立了局域共振声子晶体梁振动传输特性的计算方法,以某频段内的插入损失最大为优化目标,通过建立有效的惩罚函数并选择合适的遗传运算策略,建立了考虑质量、振幅约束条件下局域振子参数的优化设计方法,实现了局域共振声子晶体梁振子参数的优化设计,并分析了优化结果的正确性.所提出的优化设计方法对于将声子晶体应用于抑制结构振动传播的工程实践具有重要的实用价值.     

基于智能算法的声子晶体带隙优化设计

机械振动一直是工程技术中迫切需要解决的问题.周期结构声子晶体在减振降噪方面的应用越来越受到人们的重视.运用自适应智能算法对二维声子晶体的带隙宽度进行优化设计,用Rough集的数据分类简约功能对带隙宽度难点进行了研究,去掉了多余属性的样本数据,从而使神经网络拓扑结构优化.计算结果表明,智能算法在带隙优化设计中是一个很有意义的研究方向.     

具有压电分流电路的声子晶体杆振动带隙研究

压电分流电路的电磁振荡可以使声子晶体杆产生局域共振带隙.分析了杆局域共振带隙的形成机理,运用传递矩阵法计算了杆的带隙结构,并对分流电路中电感、电容和电阻对局域共振带隙的影响进行了研究.压电分流电路的电磁振荡可以使压电片的等效弹性模量变为负值,从而使贴有压电片粱的弹性模量减小,当弹性模量实部等于零时,振动无法在杆中传播,形成局域共振带隙.通过改变分流电路中电感和电容参数可以方便的调节局域共振带隙的位置,为声子晶体带隙的主动控制提供一种新的方法.