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学术前沿 | 3D 打印 QZS 谐振器实现晶格芯夹层梁的宽带和稳健减振

COMSOL 多物理场仿真技术  · 公众号  ·  · 2024-10-27 21:53

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许多器件对具有卓越机械和动态性能的轻质晶格芯夹层结构的需求很普遍。本文提出了一种带有嵌入式准零刚度 (QZS) 谐振器阵列的晶格芯夹芯梁 (LSB),称为 Q-LSB。这项研究通过研究 QZS 谐振器的非线性刚度和软三维 (3D) 打印材料的阻尼,与现有使用 QZS 谐振器的超材料结构的研究不同。其目标是实现超越线性对应物的带隙的高效和稳健的减振。我们使用实验和数值方法研究梁振动。实验结果表明,谐振器可以在很宽的频率范围内实现显著的减振,涵盖主机 LSB 的前三个特征模态。此外,在测试的激励范围内,随着激发水平的增加,还原效应会增强,突出了结构对激发幅度的鲁棒性。建立了基于动态等效均质法和有限元法的数值模型,并进行了实验验证。随后,数值参数化结果表明,宽带减振是由于阻尼效应,而稳健的减振效应归因于谐振器的非线性刚度。

在本研究中,提出了一种嵌入三维打印准零刚度(QZS)谐振器的晶芯夹层梁(LSB)的设计,称为Q-LSB,以实现在线性对应的带隙之外的宽带减振。为了便于Q-LSB的仿真,建立了基于均匀化方法和有限元法的数值模型。实验在谐振器和完全组装的系统水平上进行,以严格验证该设计。

实验验证了通过平衡正、负刚度分量来获得低刚度的谐振器设计的有效性。当预压缩位移为1.3 mm时,与未压缩的支架相比,支架的刚度降低了58.4 %。此外,谐振器表现出非线性行为,当激发水平从1V增加到7V时,刚度进一步降低了22.4 %。

关于Q-LSB的行为,实验和数值结果表明,实现了宽带和有效的减振效果。更准确地说,在不进行优化的情况下,增加谐振器质量比γ为38.4 %,在132.8 Hz到500 Hz的频率范围内,振动显著降低,这覆盖了具有自由边界条件的主光束的前三个本征模。前三种特征模的最大峰减少和平均峰减少分别为20.90 dB和17.61 dB。此外,在检测的励磁水平下,减振效果随着励磁水平的提高而提高,从而产生了稳健的减振性能。在实验验证的数值模型基础上,探讨了宽带和鲁棒性能的机制。结果表明,宽带振动效应主要是由于软材料的大阻尼效应,而大振动的改善是由于谐振器的非线性刚度。

综上所述,本文提出了一种创新的利用非线性谐振器提高晶格芯夹层梁振动性能的有效方法。未来的研究可以进行优化结构设计,探索逆设计方法,以进一步提高谐振器的性能。


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