学术前沿 | 具有宽带主动可控性的低频振动抑制分级超材料

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-07-30 21:42

正文

本文通过利用主动可控谐振器（ACR）提出了一种新型梯度超材料梁。该超材料包括安装有负电容分流压电悬臂梁的均质主梁，每个悬臂梁都有一个尖端质量块。适当改变硬化/软化分流电路中的负电容（NC）可以控制形成的带隙，从而提供更大的可调节性和灵活性。具体来说，使用模态分析并考虑弯曲振动的更高模式，ACR 被简化为等效集总参数系统，并对反作用力应用了校正因子。我们演示了不同电路配置的 ACR 和 NC 导出的等效参数之间的关系。建立了有限元模型来验证 ACR 和所提出的超材料的理论模型。随后，提出了一种分级策略来确定 ACR 阵列的 NC 值，以实现宽带振动抑制。当将电阻引入到硬化电路中时，可以观察到机械阻尼增强现象，该现象有助于形成聚集带。研究了三种电路配置，即强化电路、软化电路和混合电路。结果表明，适当的级配系数可以有效抑制低频范围内的宽带振动。

本文提出了一种新型分级金属材料，可有效控制低频范围内的振动。将由压电悬臂梁、带有尖端质量块的阻尼器以及连接到负电容电路的主动可控谐振器阵列安装在宿主梁上。采用提出的分级策略，通过修改旁路电路的负电容，可以精细调节ACR阵列以获得所需的分级图案。为了确保准确调节，首先将ACR简化为一个等效的集中参数模型，并引入校正因子。研究了ACR的等效参数随负电容的变化情况，发现由负电容引起的动态等效质量的显著变化导致了带隙的扩张或收缩。随后，通过理论模型和有限元模型验证了负电容对带隙调节的影响。理论和有限元结果显示了高度一致性，除了在负电容接近极限值的情况下，这是由于对压电传感器固有电容的误估引起的。建议采用相对误差在3.0%以内的可靠的NC范围。之后，研究了ACR阵列分级模式下带隙的拓宽效应。研究发现，采用刚性电路的分级策略比采用软性电路的策略能更有效地扩大振动衰减区域。然而，采用刚性电路时，带隙分布更分散会引入波的局域效应。通过引入由电阻引起的等效附加阻尼来减轻这种效应，该附加阻尼随NC接近极限值而指数增加。这种附加阻尼有助于显著减轻波的局域效应。在适当的NC和电阻条件下，实验表明分级金属材料在低频范围内实现了宽带振动衰减区域，其带宽比未分级金属材料宽272.5%。