CN114001115A - 一种基于机-电转换的梯度减振结构和减振方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机‑电转换的梯度减振结构和减振方法，采用梯度结构设计思想，其分别包括支撑保护层、负泊松比‑振子单元减振层、压电层、吸能层以及相关的压电能量收集电路部分。通过不同结构功能材料的梯度化设计与结合，保证在结构稳定，刚度、强度可靠的情况下，将负泊松比‑振子单元减振层与吸能层未吸收或耗散的振动能量，通过压电层进行部分收集。一方面，相较于传统的阻尼材料只转化成热能进行耗散，增加电能耗散振动能量的方式速率更快，且在长期工作条件下，不会和传统减振结构一样产生严重发热，可以保持良好的减振效果。
Description
技术领域
本发明属于减振技术领域，具体涉及一种基于机-电转换的梯度减振结构和减振方法。
背景技术
在工程领域中，关于振动问题主要以机械振动为主，而对于机械装备或工程结构来说，振动问题在大多数情况下是有害的，比如飞机在高空高速飞行的过程中，受气流影响极易引发机翼颤振，这属于低频振动问题，将会直接威胁飞机的安全；海洋工程领域中的离岸设备是海上生产作业的重要基地，长期处于恶劣的海洋环境中，受各种自然环境作用，在使用过程中存在持续不断的低频振动问题，影响相关设备的正常运作；而现代船舶中的重型燃气轮机在运转时会产生强烈的中低频振动，不仅影响自身寿命，对于军事舰船来说还直接影响其隐身性能与战斗力。面对上述这些长期处于恶劣多频段振动环境下工作的情况，迫切需要对各种频段的机械振动加以快速有效的控制或消除。
而目前面对工程领域中产生的这类大量不利的机械振动，传统的减振结构方法主要是通过采用阻尼材料或结构把振动能量转化为热能耗散掉，如一些粘弹性阻尼材料、蜂窝结构、负泊松比结构、多孔弹性材料等可以将振动能量吸收转化成内能耗散掉，并且具有较大的能量吸收效率。但是这类传统减振技术在长期工作条件下会产生大量热能，而热能耗散比较缓慢容易导致热量的大量堆积，使相关设备和自身结构温度上升，从而损害其使用寿命与减振性能，同时会造成能量的浪费，因此开展更好的多频段减振结构的研究已经成为当务之急。
发明内容
本发明提供了一种基于机-电转换的梯度减振结构和减振方法，解决统减振材料在长期工作下会发热导致减振性能下降乃至失效的问题。
为达到上述目的，本发明所述一种基于机-电转换的梯度减振结构，包括自上至下依次设置的负泊松比-振子单元减振层、第一压电层、吸能层和第二压电层；所述负泊松比-振子单元减振层中设置有振子单元；所述第一压电层和第二压电层用于将振动能量与热能转化为电能，所述吸能层用于吸收振动能量。
进一步的，负泊松比-振子单元减振层包括负泊松比内六角蜂窝结构和振子单元，所述振子单元固定在负泊松比内六角蜂窝结构内。
进一步的，第一压电层和第二压电层压电材料和压电能量收集电路连接。
进一步的，吸能层为微晶格结构，所述微晶格结构包括多个阵列布置的单胞。
进一步的，单胞为面心立方结构。
进一步的，负泊松比-振子单元减振层和第二压电层外侧分别设置有第一支撑保护层和第二支撑保护层。
进一步的，第一支撑保护层和第二支撑保护层由橡胶类材料制成。
基于上述的一种基于机-电转换的梯度减振结构的减振方法，包括以下步骤：
步骤1、外界振动作用于减振结构上，引起整个减振结构变形；
步骤2、负泊松比-振子单元减振层，振动进行减振；
步骤3、压电层跟随梯度减振结构产生变形，进而利用压电效应将部分振动能量转换为电能，实现减振的同时，将电能传输给压电能量收集电路；
步骤4、吸能层变形并吸收部分振动能量，将其转化为热能耗散；
步骤5、吸能层下的第二个压电层能将部分剩余的振动能量转化成电能，进一步的耗散振动能量。
进一步的，步骤3中，压电能量收集电路进行交-直电流转换与稳压并储存电能。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明提出了一种基于机-电转换的梯度减振结构设计，该梯度减振结构突破了板材减振结构的传统思维，采用多层不同功能的结构或材料的梯度结构设计思想，其包括支撑保护层、负泊松比-振子单元减振层、压电层、吸能层以及相关的压电能量收集电路部分。通过不同结构功能材料的梯度化设计与结合，可以保证在结构稳定，刚度、强度可靠的情况下，将负泊松比-振子单元减振层与吸能层未吸收或耗散的振动能量，通过压电层进行部分收集。
本发明将压电层与减振结构相结合，一方面可以将部分振动能量和热能转换成电能，相较于传统的阻尼材料只转化成热能进行耗散，增加电能耗散振动能量的方式速率更快，而且由于把部分振动能量与热能转换成电能来实现减振效果，即使在长期工作条件下，也不会和传统减振结构一样并堆积大量热能，产生因严重发热导致的不良后果，可以保持良好的减振效果。
另一方面，振子单元的尺寸与材料参数是可调节的，能够针对性地设计不同材料与尺寸参数的振子单元，在不同频段内实现良好的减振效果，因此具有良好的多频段、宽频带、快速减振的效果，满足各领域的多样化需求，可以同时解决相关工程领域不同频段的快速减振问题以及传统减振材料在长期工作下会发热导致减振性能下降乃至失效的问题，具有极大的推广价值与应用潜力。
进一步的，还可以把部分转换过来的电能储存起来，在需要时可以为一些小功率器件进行供能等。
附图说明
图1为该梯度减振结构部分的示意图；
图2为吸能层微晶格结构的单胞示意图；
图3为负泊松比-振子单元减振层结构的示意图；
图4为负泊松比-振子单元减振层结构的剖视图；
图5为该梯度结构复合板材的压电能量收集电路示意图；
图6为在有限元分析软件中的仿真简化模型示意图；
图7为单独的负泊松比-振子单元减振层结构，在频率为50Hz-1000Hz范围内，幅值0.5MPa正弦激励作用下的测点竖直方向位移幅值-频率响应曲线仿真图；
图8为该梯度减振结构在频率为50Hz-1000Hz范围内，幅值0.5MPa正弦激励作用下的测点竖直方向位移幅值-频率响应曲线仿真图；
图9为不加装振子单元7时，该梯度减振结构在频率为50Hz-1000Hz范围内，幅值0.5MPa正弦激励作用下的测点竖直方向位移幅值-频率响应曲线仿真图；
图中，1-第一支撑保护层；2-负泊松比-振子单元减振层；3-第一压电层；4-吸能层；5-第二压电层；6-第二支撑保护层；7-振子单元；8-压电能量收集电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种基于机-电转换的梯度减振结构，涉及一种结合压电效应与吸能减振结构的具有振动能量快速转换、快速减振、减振频段可变特性的梯度减振结构。所述梯度减振结构可应用于具有快速减振降噪需求和对多个频段尤其是低频段有良好减振效果要求的领域场景等。
参照图1至图5，一种基于机-电转换的梯度减振结构，包括压电能量收集电路8，以及自上至下依次设置的第一支撑保护层1、负泊松比-振子单元减振层2、第一压电层3、吸能层4、第二压电层5和第二支撑保护层6。支撑保护层1中设置有两个振子单元7。第一支撑保护层1用于为整体板材结构提供一定强度与刚度；负泊松比-振子单元减振层2，对低频段有较好减振效果，且可调整各类参数如更换两个振子单元7的材料与尺寸或者改变振子单元7的数量与排布位置，以针对性地对不同频段都能良好减振；第一压电层3用于将振动能量与热能转化为电能；吸能层4为微晶格结构，能实现对主要振动能量耗散；第二压电层5胶结在吸能层4下，实现进一步振动能量转化；第二支撑保护层6能够在固定压电材料的同时，提供一定强度与刚度；压电能量收集电路8用于收集、储存由振动能量转化过来的电能。其中，第一压电层3和第二压电层5与压电能量收集电路8通过导线连接。
第一支撑保护层1由橡胶类材料组成，厚度2mm-5mm，边长、面积大小可根据需要进行调整，这里边长取50mm。其具有强度高、韧性好、尺寸稳定性好、机械性能优良，抗冲击性好的特点，其能为整个板材结构提供一定强度与刚度，并且具有较强的韧性，保持整体结构在外界振动作用下的稳定，并保护内部的结构材料。
胶结在第一支撑保护层1之下的负泊松比-振子单元减振层2包括负泊松比内六角蜂窝结构21与振子单元7，其减振原理在于，两个振子单元7的高度为4mm，直径略大于5mm，间隔20mm，依靠尺寸公差紧紧地固定在橡胶类材质的各处厚度均为2mm，边长为50mm的负泊松比内六角蜂窝结构中心位置处，组成了低频共振单元，具体尺寸如图4所示。振子单元7包括且不限于铜、铅、铁等材料制成。可以根据振动频段来更换不同材质和尺寸的振子单元7对应设计该层，以达到对不同频段，尤其是在低频段内良好的振动控制效果，从而实现多频段、宽频带范围内的减振作用。
第一压电层3和第二压电层5由压电材料构成，厚度均为2mm，边长都为50mm，分别胶结在负泊松比-振子单元减振层2与吸能层4下方，能够将部分热能与振动能量快速多次地转化成电能，压电材料为PVDF或PZT，这种方式相较于传统阻尼材料，振动能量耗散速率更快，不易造成热量的大量堆积而引起不良后果，同时还能实现振动能量储存再利用。
吸能层4为橡胶类材料构成的微晶格结构，微晶格结构由多个单胞连接形成，多个单胞阵列布置，其总体结构的厚度为10mm，边长50mm，其中单胞均为边长10mm、骨架41直径为2mm的面心立方结构，该结构具有轻薄、比强度大、能量吸收效率高等优点，能在保证结构承载能力的前提下，有效地提高结构的阻尼性能，吸收部分振动能量并提供冲击保护，抑制结构振动。
第二支撑保护层6也为橡胶类材料，如热塑性聚氨酯橡胶、顺丁橡胶等，具体尺寸与第一支撑保护层1相同，具有拉伸强度高、强韧耐老化、良好的弹性等特点，可以与第二压电层5更好的胶结固定，实现紧密贴合，保护压电层的同时，使其变形与转化效率最大化。
参照图5，压电能量收集电路8用于实现交-直电流转换与稳压功能，并可以将转换的电能进行储存或耗散，包括全桥电路、电容器C和电阻R，第一压电层3和第二压电层5连接至全桥电路的输入端口，全桥电路的输出端口连接至电容器C的两端，电阻R和加速度传感器G-Sensor串联后形成的支路与电容器C并联，电容器C一端接地。加速度传感器一方面可以作为收集振动能量为小功率器件供能的演示，另一方面也可以监测结构的振动加速度。
一种减振方法，包括以下步骤：
外界振动首先作用于梯度减振结构的支撑保护层1上，紧接其后的负泊松比-振子单元减振层2开始工作，振子单元7与橡胶类材质的负泊松比内六角蜂窝结构组成了具有低频的共振单元。当外界振动波的频率接近共振单元的共振频率时，共振结构单元将与外界振动波发生强烈的耦合作用，使其不能继续向前传播，从而对特定频段实现良好的减振效果。尤其是对低频段振动能产生良好的减振效果。并且可以根据振动频段来对应设计该层振子单元7的材料与尺寸参数等，以达到对不同频段的振动，尤其是低频段振动能起到一个良好的减振效果，从而实现多频段、宽频带最佳的减振作用，以实现更好的减振效果。利用有限元分析软件，结合实际应用环境分析，设置如图6所示的仿真简化模型示意图中的约束条件，单独对固定了两个振子单元7的负泊松比-振子单元减振层2进行频率为50Hz-1000Hz范围内，幅值0.5MPa正弦激励作用下的频率响应曲线仿真，仿真结果如图7所示，振子单元7为铜材质的圆柱体，直径略大于5mm，如5.1mm-5.2mm，高度4mm。而在其之下的第一压电层3也会跟随梯度减振结构产生变形，进而利用压电效应将部分振动能量快速转换为电能，实现快速减振的同时，将电能传输给压电能量收集电路8。第一压电层3下方的吸能层4会变形并吸收部分振动能量，转换成热能耗散减振，同时起到冲击保护、抑制结构振动的作用。紧接着在吸能层4下方的第二个压电层5通过压电效应将部分剩余的振动能量快速地转化成电能，以实现进一步快速耗散振动能量的效果。底部的支撑保护层6起到稳定并保护结构的作用。之后经过压电能量收集电路8的整流电桥电路实现交-直电流转换与稳压功能，并能够长期稳定地储存电能。
本发明结合压电效应与吸能结构完成了具有振动能量快速转换、快速减振、减振频段可变特性的梯度减振结构。如图8和图9所示，有限元幅值频响分析可知，该梯度减振结构可以在激励频率50Hz-1000Hz较宽频段内实现对机械振动的快速有效抑制，且不加装振子单元7时激励点和响应点的幅值均大于有振子单元时激励点和响应点的幅值，其将在未来工程领域的复杂振动工况下具有广阔的应用前景。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于机-电转换的梯度减振结构，其特征在于，包括自上至下依次设置的负泊松比-振子单元减振层(2)、第一压电层(3)、吸能层(4)和第二压电层(5)；所述负泊松比-振子单元减振层(2)中设置有振子单元(7)；所述第一压电层(3)和第二压电层(5)用于将振动能量与热能转化为电能，所述吸能层(4)用于吸收振动能量。
2.根据权利要求1所述的一种基于机-电转换的梯度减振结构，其特征在于，所述负泊松比-振子单元减振层(2)包括负泊松比内六角蜂窝结构和振子单元(7)，所述振子单元(7)固定在负泊松比内六角蜂窝结构内。
3.根据权利要求1所述的一种基于机-电转换的梯度减振结构，其特征在于，所述第一压电层(3)和第二压电层(5)压电材料和压电能量收集电路(8)连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于机-电转换的梯度减振结构，其特征在于，所述吸能层(4)为微晶格结构，所述微晶格结构包括多个阵列布置的单胞。
5.根据权利要求4所述的一种基于机-电转换的梯度减振结构，其特征在于，所述单胞为面心立方结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于机-电转换的梯度减振结构，其特征在于，所述负泊松比-振子单元减振层(2)和第二压电层(5)外侧分别设置有第一支撑保护层(1)和第二支撑保护层(6)。
7.根据权利要求6所述的一种基于机-电转换的梯度减振结构，其特征在于，所述第一支撑保护层(1)和第二支撑保护层(6)由橡胶类材料制成。
8.基于权利要求1所述的一种基于机-电转换的梯度减振结构的减振方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、外界振动作用于减振结构上，引起整个减振结构变形；
步骤2、负泊松比-振子单元减振层(2)，振动进行减振；
步骤3、压电层(3)跟随梯度减振结构产生变形，进而利用压电效应将部分振动能量转换为电能，实现减振的同时，将电能传输给压电能量收集电路(8)；
步骤4、吸能层(4)变形并吸收部分振动能量，将其转化为热能耗散；
步骤5、吸能层(4)下的第二个压电层(5)能将部分剩余的振动能量转化成电能，进一步的耗散振动能量。
9.根据权利要求8所述的减振方法，其特征在于，所述步骤3中，压电能量收集电路(8)进行交-直电流转换与稳压并储存电能。
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