一种带有局域共振带隙的周期空腹板

技术领域

本发明涉及一种用于工程振动抑制装置，尤其是一种具有优越低频和高频振动带隙的周期空腹板结构。

背景技术

目前抑制有害振动的处理方式包括主动控制和被动控制。主动控制是指在振动控制过程中,根据所检测到的振动信号,应用一定的控制策略,经过实时计算,进而驱动作动器对控制目标施加一定的影响,达到抑制或消除振动的目的。主动控制方法主要包含自适应控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制、模态控制智能结构控制。主动控制的优点在于其智能性，可以做到全频带控制振动，所以可以应用在精密仪器的隔振，航空航天隔振平台等一些对振动有着严格要求的工作环境中，但是主动隔振也存在着结构复杂，成本较高，能耗高，稳定性不佳等缺点，难以广泛应用到实际工程中。被动控制通过在振源和基座之间安装各种隔振装置来消耗振动能量，达到振动抑制效果，被动控制抑制有害振动的处理方式主要包括两种。一是采取减振和隔振措施如利用粘弹性阻尼材料等，由于其结构简单，易于实现和可靠性好的优点，在工程领域得到了广泛的应用。二是利用周期结构的带隙机理，并针对工程实际中所需减振的频率范围，设计具有高效传递损失特性的结构,是较为新颖的方法。被动隔振存在着在低频段隔振效果不佳的缺点，为此，需要设计出一种具有优越低频和高频振动带隙的周期空腹板结构以满足复杂工作环境下耦合振动控制需求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够同时实现优越低频和高频减振性能的周期空腹板，针对舰船系统结构噪声振动控制的问题，通过利用双层周期空腹板结构所具有的布拉格(Bragg)带隙特征，周期空腹板在高频时取得显著减振效果，通过利用吸振器的局域共振(Locally Resonant，简称LR)带隙特征，周期空腹板在低频时取得显著减振效果。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种带有局域共振带隙的周期空腹板，包括周期单元、LR吸振器，多个相同的周期单元沿着水平方向连接组合成在高频存在宽频带的纵向和弯曲振动带隙的双层周期空腹板，并通过在双层周期空腹板上等间距安装LR吸振器，形成双层LR周期空腹板结构，使该双层LR周期空腹板结构中出现低频振动带隙。

进一步，所述周期单元由薄板和半厚度筋组成,薄板和半厚度筋材料为铁，其密度ρ＝7850kg/m

进一步，所述LR吸振器由一集中质量块和橡胶组成，集中质量块通过螺栓和橡胶连接安装在周期单元的中间位置。

进一步，所述集中质量块为一圆柱形铁块。

进一步，所述LR吸振器的谐振频率为170Hz。

本发明的有益效果是：

本发明的一种LR周期空腹板，通过构建了双层周期空腹板结构，周期空腹板由厚度较小的薄板和等间距分布的筋组成，可以视为由一系列相同周期单元串联而成，空腹板结构在高频存在宽频带的纵向和弯曲振动带隙，在带隙频率范围内，相应的波型在结构中禁止传播，从而禁止振动能量在空腹梁中的传递，并通过在周期结构上等间距地安装LR吸振器，形成LR周期空腹板结构，使该周期结构中出现新的低频振动带隙。取得了优越的低频和高频减振性能，大大改善了舰船隔振系统的振动传递衰减幅度。

附图说明

图1为半无限长单层空腹板二维平面模型示意图；

图2为周期单元振动矢量传递图；

图3为半无限长单层LR空腹板二维平面模型示意图；

图4为弯曲波传播系数随频率变化对应的频带类型的示意图；

图5为周期空腹板中布拉格带隙示意图；

图6为LR周期空腹板中布拉格带隙和局域共振带隙示意图；

图7为半无限长单层LR周期空腹板结构的加速度频响示意图；

图8含有十二个周期单元的双层LR周期空腹板三维模型示意图；

图9为双层LR周期空腹板加速度频响测试结果图；

图中零部件、部位及编号：0.端部节点，1.周期单元，2.弹性梁(薄板)，3.半厚度筋，4.振动矢量，5.LR吸振器，6.螺栓，7.橡胶，8.质量块，9.测试节点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步的阐述。

一.空腹板模型介绍

如图1所示为单层周期空腹板二维平面模型示意图。规定半无限长周期结构的端部为节点0，之后每隔一个周期单元，节点依次递增。周期空腹板在筋的厚度方向的中间处切割，得到图1中所示的周期单元1，两个相邻周期单元之间的连接方式依然为点连接。每个周期单元由两根弹性梁2(薄板)和两个半厚度筋3构成，其中梁(即周期单元)的长度为l

二.带隙类型

如图4所示的周期空腹板中两种弯曲波型的传播系数所对应的三类频带类型图。传播-衰减(Propagation-Attenuation,简称PA)频带代表其中一对传播系数实部为零，而另一对传播系数为复数形式的频率范围,属于通带，传播-传播(Propagation-Propagation，简称PP)频带是指两对传播系数的实部都为零的频率范围，属于通带，衰减-衰减(Attenuation-Attenuation,简称AA)频带代表两对传播系数均为复数形式，属于阻带。由图可知有五个AA频带，七个PA频带和五个PP频带，弯曲波在带隙频率范围(AA频带)内完全被禁止传播，在PA频带内部分被禁止传播，而在通带频率范围(PP频带)内则可以自由传播。

三.空腹板Bragg频带特征分析

通过建立空腹板模型分析结构中弯曲波的传播特性来介绍空腹板布拉格带隙特征。如图5所示为周期空腹板结构中弯曲波的传播系数示意图，分析频率为10-1500Hz，由图可知，周期空腹板在所分析频段存在一个较宽AA频段、一个PP频段和两个PA频带，其中AA频段即Bragg带隙的边界起始和截止频率分别为316Hz和1077Hz。

四.空腹板Bragg和LR带隙特征分析

通过建立带吸振器的空腹板模型分析结构中弯曲波的传播特性来介绍布拉格带隙特征和局域共振带隙特征。

如图6所示为安装有吸振器的周期空腹板结构中弯曲波的传播系数示意图，分析频率为10-1500Hz，空腹板位于高频的AA频带基本不变，而在低频出现了一个新的带隙，称为LR带隙。由图6可知，安装吸振器的周期空腹板结构中的Bragg带隙和LR带隙的边界频率分别为59-86Hz和316-1077Hz。

五.带隙减振性能

通过施加横向简谐激振力于周期结构的端部来分析带隙的减振性能。通过计算得到周期结构上节点0至9以及节点25和节点50处的横向加速度频响，结果如图7所示，其中频响曲线的标识数字代表节点数。由图可知，周期结构中的振动传递出现明显的衰减；两种带隙内振动传递的衰减幅度从节点0至节点4依次增大，而从节点5至节点9，振动衰减幅度不再明显增加，节点25和节点50衰减幅度继续加大。即结构上距离激振点越远的节点处，其振动传递衰减幅度基本上也越大。

基于上述研究分析得出的结果，本发明实施例提出一种带有局域共振带隙的周期空腹板，如图8所示，该周期空腹板为双层LR周期空腹板，包括周期单元1、薄板2、半厚度筋3、吸振器5、螺栓6、橡胶7、质量块8等。双层LR周期空腹板，由12个相同的周期单元1沿着水平方向连接而成的组合结构；每个周期单元1由薄板2和半厚度筋3通过线切割组成,两者材料为铁，其密度ρ＝7850kg/m

用JZK-20激振器在结构左端部节点0处激振，输入信号为带宽10-3000Hz的白噪声，输入力信号由B&K8200力传感器测试，周期结构上节点9处的加速度响应通过ICP加速度传感器测试，所有测试得到的信号经过电荷放大器后由DHDAS_5920动态信号采集仪采集。采样频率为10kHz，分析频率为3.9kHz。

如图9所示为双层LR周期空腹梁在节点9处的加速度频响测试结果，结果显示在节点9等处的频响曲线在124-200Hz的LR带隙和385-1480Hz的Bragg带隙内出现大幅振动衰减，表明LR周期空腹板中的振动波在这两个频段得到明显的抑制。

本发明是一种被设计用于改善减振性能的结构。利用周期结构振动带隙思想设计了具有优越低频和高频振动带隙的周期空腹板结构，为舰船及其他工程领域中基座的结构设计提供了新的方法和思路。利用周期结构的布拉格带隙特征实现高频段振动衰减的技术，利用吸振器的局域共振带隙特征实现低频段振动衰减的技术。