MSSP-用于低频多极化模式吸振的多频带弹性超结构- 大数跨境

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MSSP-用于低频多极化模式吸振的多频带弹性超结构

两江科技评论

2024-05-02

导读：西安交通大学机械工程学院马富银教授课题组和中国船舶集团第七0五研究所昆明分部张炜权高级工程师合作，提出一种基于以吸代隔思路实现多单元并联宽频带减振和多振动模式减振的设计方法。

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撰稿|由课题组供稿

导读

西安交通大学机械工程学院马富银教授课题组和中国船舶集团第七0五研究所昆明分部张炜权高级工程师合作，提出一种基于以吸代隔思路实现多单元并联宽频带减振和多振动模式减振的设计方法。通过将吸振超结构单元附加在支撑结构上，在不影响支撑性能的前提下利用超结构单元的局域共振效应实现支撑结构上振动能量的转移衰减。为克服常规局域共振超结构工作频带较窄的不足，在超结构单元设计时引入二自由度结构协同宽带设计，通过内、外两个自由度曲梁结构各自独立调控机械波，使吸振单元同时打开两个独立可调的完全带隙。此外，基于多单元并联协同原理，实现了优良的宽频带减振效果和多振动模式减振效果。通过将多单元并联叠加的设计思路引入到多模式振动吸收的实际工程问题中，将以往多单元并联叠加的设计目标由更宽的减振频带范围转变为更多的振动模式吸收，为多单元并联设计思路提供了新的设计可能性，具有广泛的工程应用前景。

相关研究成果以“一种用于低频多极化模式吸振的多频带弹性超结构”（A multi-band elastic metamaterial for low-frequency multi-polarization vibration absorption）为题，在线发表在《Mechanical Systems and Signal Processing》[Mechanical Systems and Signal Processing, 216, 111464, 2024]上。西安交通大学为第一作者单位，西安交通大学和中国船舶集团第七0五研究所为通讯单位，西安交通大学机械工程学院硕士生芮世腾为第一作者，马富银教授和张炜权高级工程师为共同通讯作者，上海交通大学机械工程学院硕士生于日寰和西安交通大学机械工程学院博士生汪兴中对论文提供了重要贡献。

图1 宽频带多模式减振设计原理总体思路图

研究背景

振动在机械装备和工程结构中广泛存在。与电磁波和声波不同，弹性波包含横波、纵波、剪切波、扭转波等多种极化模式，而且这些模式往往是相互耦合的。这导致弹性波的操纵远比其它经典波的操纵难度大，而装备的宽带多模式振动抑制是一个极为重要的学术挑战。现有的吸振超结构，只能实现单一频带和单一极化模式的振动衰减。虽然通过多单元弱耦合并联叠加，能够实现宽带吸振，但所需单元数目和覆盖面积成倍增加，并且工作位置较为分散。这样，如果可用的安装空间受限，或者允许的附加重量受限，抑或是弱耦合条件难以满足，则依然难以实现宽带振动抑制。然而，实际工程结构的振动出现在多个频带，且包含弯曲振动、扭转振动、伸缩振动等多种极化模式，通过现有技术方案无法实现多频带和多模式振动抑制。

因此，论文提出一种多带隙超结构吸振单元设计思路，利用多个自由度单元的多重谐振作用，使吸振单元可以同时在不同频带范围打开多条带隙，以此通过单一单元实现多频带振动抑制。此外，采用这种单元实现了多极化弹性波带隙。通过具有不同极化模式的单元间的并联协同耦合，实现了多模式振动抑制。论文的设计方案为解决机械设备多频带、多振动模式的复合吸振难题提供了思路，具有重要的工程应用价值。

研究亮点

论文提出了一种二自由度超结构单元设计思路，如图2所示。单元设计中采用纯金属材料以及双层薄板结构，使吸振单元具有更好的结构稳定性和耐久性。其中，圆柱形质量块为不锈钢材料，薄板以及框架为铝合金材料。吸振单元采用二自由度设计思想，通过内、外两个自由度各自独立调控机械波，可以使吸振单元同时打开两个独立可调的完全带隙。

图2 二自由度超结构及等效模型示意图

作者对二自由度超结构单元的带隙特征进行研究，利用色散曲线、模态位移曲线和模态图，可以判断超结构单元的弯曲波带隙和完全带隙特性，其带隙特征如图3所示。色散曲线计算结果显示超结构单元能同时打开两个完全带隙，在基本单元设计层面实现了预期的二自由度宽带设计效果。

图3 二自由度超结构能带结构

此外，还对超结构单元各几何参数的影响进行了具体分析，根据参数影响结果，可针对指定吸振频率进行定制化结构设计。同时，通过对超结构单元的等效动力学模型进行分析推导，利用数值解析的手段再次验证了二自由度超结构单元具有的双带隙特征，超结构单元的动力学解析模型如图4所示。

图4 超结构单元的动力学等效模型

论文首先研究了多单元并联叠加作用下的宽频带减振效果。本文分别研究了单个单元、多个同型号单元、多个梯度参数单元作用下的减振效果。仿真计算结果表明，在多个梯度参数单元的多重吸振作用下，能够获得比同数量下同型号单元更好的吸振效果，梯度参数多单元与同型号多单元的吸振效果对比示意图如图5所示，利用多单元并联叠加思路实现了预期的宽频带减振设计目标。

图5 梯度参数多单元与同型号多单元的吸振效果对比

论文接着对多单元并联叠加作用下的多振动模式减振效果进行了研究。本文通过将针对不同振动模式进行工作的多个超结构单元并联组合成超胞吸振器，利用多单元之间的并联弱耦合效应，可以实现对支撑结构上多种模式振动能量的有效衰减，超胞吸振器对于支撑结构单独伸缩振动模式的减振效果如图6所示。

图6 超胞吸振器对支撑结构单独伸缩振动模式的减振效果

实际工程结构中的振动并不是简单地单独以各种振动模式的形式出现，其常常是表现为多种振动模式混合而成的复合振动模式。为此，为了使本文的研究内容更贴合工程实际情况，进一步研究了超胞吸振器对混合多种振动模式的复合振动模式的减振效果，相关仿真计算结果如图7所示。研究结果表明，在超胞吸振器的作用下，支撑结构不同振动模式的共振峰值能够实现19.4%或51.6%等不同程度的衰减效果，超胞吸振器对多振动模式同时存在的复合振动模式能够实现优良的综合减振效果。

图7 超胞吸振器对复合振动模式的减振效果

为了验证上述提出的多单元并联叠加作用下的宽频带减振设计和多振动模式减振设计，作者进行了加速度传输实验测试。多振动模式减振的实验结果如图8所示，可以看到，超胞吸振器对于单独弯曲振动模式、单独伸缩振动模式以及弯曲-扭转复合振动模式分别能够实现6.7dB、1.6dB和10.9dB，验证了本文所提出的多单元并联叠加作用下宽频带减振和多模式减振思路的正确性和可行性。

图8 超胞吸振器对复合振动模式减振效果的实验测试验证

总结与展望

针对机械设备实际运行时产生多频带、多模式的复杂振动工程挑战，本文开展多频带、多模式吸振装置研究工作。相较于以往弹性超结构仅能实现单一频带或单一弹性波模式作用效果的局限性，本文提出了一种具有多频带弹性带隙和多极化模式弹性波带隙的二自由度弹性超结构。吸振单元采用纯金属双层结构设计方案，克服了以往超结构吸振器在恶劣工程环境中适应性、稳定性较差且寿命较短的缺陷。并且可通过调节单元的设计参数来实现带隙特性灵活、大范围的调整。对于分散式并联宽带吸振存在的安装面积较大、工作位置分散等问题，通过对支撑结构附加嵌入吸振单元的超胞吸振器，在充分利用安装空间、工作位置集中最优化的基础上，分别实现了周期性吸振单元的振动衰减强化、梯度参数吸振单元的宽带吸振和不同极化模式吸振单元的多极化模式吸振。

本文提出的多带吸振单元设计方案以及多单元协同宽带多模式吸振设计思想，很好的契合了实际工程中多频带、多模式的复杂减振应用需求。这种设计思路可以为支撑结构中不同振动模式的振动能量的分离和操纵提供一种实用的实现方案。

团队前期关于同一极化模式单自由度单元以吸代隔的工作中，系统地研究了不同吸振单元数量、不同工作频率间的协同耦合、不同吸振位置和层级间的协同耦合对吸振性能的影响。相关研究成果以“一种带有超结构吸振器的承载-隔振一体化支撑设计”（An integrated load-bearing and vibration-isolation supporter with decorated metamaterial absorbers）为题，在线发表在《International Journal of Mechanical Sciences》[International Journal of Mechanical Sciences, 253, 108406，2023]上。本文工作极大地完善了承载-隔振一体化支撑装置以吸振代替隔振的振动控制解决方案。

该工作得到了国家自然科学基金项目（No. 52250287）和陕西省杰出青年基金（No. 2024JC-JCQN-49）的支持。

论文链接：