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振动与冲击 2021年第22期40卷 28-34页

作者：何超高海峰徐慧东李志强太原理工大学机械与运载工程学院太原030024

基于扭转振动结构,研究了非线性局域共振声子晶体的动态特性及含非光滑碰撞系统单胞对混沌带隙产生的作用机理。非线性局域振子由安装于轴上的圆盘、轴承、线性弹簧、碰撞杆构成。一方面,在特定频率范围内,各个单胞产生共振同时与轴体... 详细信息

基于扭转振动结构,研究了非线性局域共振声子晶体的动态特性及含非光滑碰撞系统单胞对混沌带隙产生的作用机理。非线性局域振子由安装于轴上的圆盘、轴承、线性弹簧、碰撞杆构成。一方面,在特定频率范围内,各个单胞产生共振同时与轴体之间扭转波相互耦合作用,可以在低频范围内打开多条线性共振带隙;另一方面,基于碰撞机构的非光滑系统会给振子带来非线性动力学特性,在低频范围产生混沌带隙。采用传递矩阵法计算一维声子晶体扭转振动在线性范围内的能带结构,并与试验结果进行对照验证;通过分析单胞的非线性动力学行为阐明系统出现混沌带隙的频率范围,并进行了试验验证。研究结果表明,该结构不仅在线性特性下在多个频率范围内有明显抑振效果,其混沌特性也可以使结构在更低频范围实现减振特性。

关键词：扭转振动声子晶体非光滑系统混沌带隙低频减振

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基于非光滑系统的局域共振声子晶体结构动态特性研究

基于非光滑系统的局域共振声子晶体结构动态特性研究

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作者：何超太原理工大学

学位级别：硕士

低频振动和噪音不仅严重影响人体健康而且也在交通运输、航空航天以及精密加工等领域产生不利影响,造成大量的经济损失。尤其是低于600Hz的低频振动是目前面临的主要威胁。声子晶体(Phononic Crystals)的应用探索研究为减振降噪技术拓... 详细信息

低频振动和噪音不仅严重影响人体健康而且也在交通运输、航空航天以及精密加工等领域产生不利影响,造成大量的经济损失。尤其是低于600Hz的低频振动是目前面临的主要威胁。声子晶体(Phononic Crystals)的应用探索研究为减振降噪技术拓宽了道路,特别是基于局域共振机理设计的声子晶体,其亚波长弹性波/声波调控机理为低频减振降噪提供了新思路。声子晶体是指人工合成弹性常数及密度周期分布的材料或者结构。局域共振(Locally Resonance,LR)型结构最具代表性,其弹性波带隙可高效抑制结构低频振动。由于线性声子晶体难以同时实现低频、宽带振动抑制,限制了其应用。故在本文的研究中在线性声子晶体的基础上引入非线性效应,研究了非线性机制对低频带隙产生的作用机理。本文主要通过数值模拟和实验验证的方法开展研究,分析了非线性声子晶体带隙结构在非线性机制作用下形成的机理。基于一维局域共振声子晶体理论,在线性局域共振声子晶体的基础上引入非线性效应构建了非线性声子晶体结构,研究了非线性局域共振声子晶体的动态特性及非光滑碰撞系统单胞对混沌带隙产生的作用机理。具体内容如下:(1)扭转振动结构的非线性局域共振声子晶体研究。运用传递矩阵法计算一维局域共振声子晶体扭转振动的能带结构,通过改变结构参数分析了结构变化对带隙范围上下界的影响,研究带隙变化规律与带隙调控机理,并与实验结果进行对照验证。然后运用单自由度振动碰撞理论,通过数值计算分析单胞的非线性动力学行为,阐明系统出现混沌带隙的频率范围,并通过实验进行了验证。一方面,在特定频率范围内,各个单胞产生共振同时与轴体之间扭转波相互耦合作用,可以在低频范围内能打开多条线性共振带隙。另一方面,基于碰撞机构的非光滑系统会给振子带来非线性动力学特性,在更低频范围产生混沌带隙。研究结果表明,该结构不仅在线性特性下在多个频率范围内有明显抑振效果,其混沌特性也可以拓宽带隙范围实现减振特性。(2)复合悬臂梁结构非线性局域共振声子晶体研究。在低频宽带振动抑制机理探索的基础上,设计强非线性声子晶体结构,基于数值模拟与实验研究其不同频带内的非线性振动特性、混沌响应与分岔规律,开展机理验证并研究其低频宽带减振应用。首先通过实验研究了单自由度悬臂梁振动碰撞系统。在基础激励下多次变换激励频率,通过MATLAB软件对含间隙碰撞振动实测响应频域分析处理,观察到系统复杂的周期、概周期、混沌等多种非线性动力学现象,对后续分析应用混沌运动提供了方法。采用COMSOL对有限单元的线性声子晶体结构进行模拟。通过实验分别对线性带隙和非线性带隙进行研究,并与数值模拟对照分析,研究非线性局域共振声子晶体带隙特性及减振应用。在实验中观察到了桥连耦合现象,混沌带有效地桥连了被共振峰所产生的通带隔断的两个带隙。混沌带隙内振幅强度衰减剧烈,有效的抑制了由于局域共振声子晶体结构中附加的线性振子在有限结构通带内的共振峰,阐明了带隙调控机理,验证了非线性效应对局域共振声子晶体结构抑振性能的提升。

关键词：声子晶体非光滑系统混沌带隙局域共振低频减振

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