专栏名称: COMSOL 多物理场仿真技术
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学术前沿 | 低频振动控制用可调谐气动超材料的设计

COMSOL 多物理场仿真技术  · 公众号  ·  · 2024-06-29 21:40

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为了解决传统弹性超材料在打开 100 Hz 以下宽带隙方面的局限性,提出了一种带有气囊局部谐振器的可调谐气动超材料板。利用气囊体积小、承载能力大、刚度调节容易、能够提供多方向恢复力等特点,设计了一种具有一定承载能力的结构化低刚度局部谐振器。通过改变气囊的表压,带隙可以向较低频率移动,从而实现对各种波传播的广泛的低频振动抑制能力。应用有限元方法对可调谐气动超材料的低频振动带隙特性进行了分析和验证。结果表明,这种可调谐气动超材料可以通过调节气压来衰减22-121 Hz范围内的弯曲波。此外,增加表压不仅会使整个带隙向较低频率移动,而且还会显着扩大整个带隙的带宽。例如,将表压从 0 kPa 增加到 50 kPa 会将整个带隙的开放频率从 36 Hz 降低到 22 Hz,同时将相对带宽从 0.52 提高到 0.85。在此基础上,进行了参数研究,探讨了气囊式谐振单元的结构参数对带隙演化的影响,总结了实现宽低频带隙的一般原理。最后,通过有限周期结构的频率响应函数确定了可调谐气动超材料的带隙特性。

本研究设计了由气囊局部谐振器组成的气动驱动超材料板,通过气压调节使带隙向低频偏移。采用有限元法计算了不同规压和几何参数下pmmm的带隙结构,分析了带隙的形成和调节机理。研究结论如下:

气动超材料的带隙特性可以通过气压调节来调节。带隙控制的机理是通过调节气压改变气囊局部谐振器的固有频率,从而实现主动带隙控制。

随着表压的增大,弯曲波的带隙向低频方向移动,但带宽减小。在气压调节范围(0 ~ 50kpa)内,22 ~ 121hz的弯波可以有效衰减。

气压的增加不仅降低了带隙的开启频率,而且使整个带隙明显变宽。具体来说,表压从0增加到50 kPa,导致整个带隙的开启频率从36 Hz下降到22 Hz,而相对带宽从0.52增加到0.85。

由气囊和砝码组成的谐振元件可以进一步与其他装置集成,从而设计出控制方法丰富的多机构局部谐振器。例如,可以将压电材料引入安全气囊的内部空间,从而构建气动和压电驱动的微机电局部谐振器。此外,共振元件可以嵌入蜂窝结构中,从而开发出具有综合轻量化、承重和功能特征的结构。值得一提的是,气动超材料对外部刺激的响应速度有限。由于气动调谐需要气体在气室内流动,因此与电磁刺激(如电场或磁场)相比,气体流动的响应速度通常较慢。这可能会限制气动超材料在需要快速响应的应用中的实际有效性。


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