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基于压电分流阵列的带隙调控及振动抑制

陈圣兵  
【摘要】:将相同的压电片周期性地粘贴到被控结构表面,并在每个压电片上连接一个相同的分流电路,形成阵列结构。称这种阵列结构为压电分流阵列,而将安装了压电分流阵列的复合结构称为压电分流阵列结构。压电分流阵列除了具有传统压电分流阻尼技术附加质量小、安装方便和简单易用等优点外,还同时具备声子晶体带隙特性,有望实现振动与噪声宽频控制的目的,在轻质柔性结构的减振降噪领域具有潜在的应用前景。本文以航天工程中轻质柔性结构振动与噪声控制为背景,以高分卫星微振动抑制为目标,围绕一维和二维压电分流阵列,解决与其相关的理论基础和技术应用问题,利用理论分析、软件仿真和实验测试相结合的方法,对压电分流阵列进行系统和深入的理论研究和工程应用探索,主要创新及研究成果如下:提出了压电分流阵列结构新的建模和计算方法。首次提出一维压电分流阵列结构的精确积分模型,并分析了传统长波近似模型引入的误差。发展了新的二维压电分流阵列结构带隙计算方法,包括数值法求解超越特征值问题或波场变换实现特征值问题线性化,完成了二维压电分流阵列结构任意方向传播常数的求解。以上算法研究成果为压电分流阵列的理论分析和设计应用提供了有力的工具。完成了压电分流阵列结构的带隙特性与机理研究。首次系统深入地研究了压电分流阵列结构的带隙特性和带隙形成机理,包括电阻电路、谐振电路和负电容电路三种不同类型分流电路形成带隙的物理机理,以及电路参数对带隙内传播常数的影响。电阻能够在分流电路中形成阻尼耗散,不仅对带隙产生影响,还会在通带内产生一定的衰减作用。电感与压电片电容形成谐振单元,能够在压电分流阵列结构中引起局域共振带隙。负电容的引入提高了压电分流系统的机电耦合系数,能够有效增大带隙宽度及带隙内衰减。通过对压电分流阵列结构带隙特性和机理的研究,有效揭示了关键的带隙影响因素和影响规律,为压电分流阵列的设计提供了理论基础。实现了压电分流阵列的优化设计。综合运用前面的算法工具和理论分析成果,结合适当的优化算法,实现压电分流阵列的优化设计,包括电路参数和几何参数两个方面。电路参数根据分流电路类型的不同,主要有电阻、电感和负电容,适当选取电路参数不仅是带隙位置调控的关键,还是增大带隙宽度和带隙内衰减的有效手段。几何参数主要是压电片尺寸和晶格常数,压电片尺寸直接关系到晶格填充率和分流电路的机电耦合效率,而晶格常数也是影响带隙特性的重要参数。探索了压电分流阵列在卫星微振动抑制中的应用可行性。压电分流阵列同时吸取了传统压电分流阻尼技术和声子晶体带隙思想的优点,具有附加质量小、安装方便、简单易用和宽频控制等优点,尤其适合于航天工程中轻质柔性结构的振动与噪声控制。以高分卫星微振动传递抑制为目标,在卫星舱体上设计了二维压电分流阵列,分析了分流阵列对舱体上微振动传递的抑制作用,探索了压电分流阵列在卫星微振动抑制中应用的可行性。本文在航天工程中轻质柔性结构振动与噪声控制的需求牵引下,系统深入地研究了压电分流阵列的建模与算法、带隙机理、带隙特性和优化设计,并探索了压电分流阵列在卫星微振动抑制中的应用可能性。本文的研究成果不仅解决了压电分流阵列理论研究中的大量关键理论技术问题,也为其在航天工程中的实际应用进行了有益的探索。


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