一种基于机-电转换的梯度减振结构和减振方法技术

本发明专利技术公开了一种基于机

【技术实现步骤摘要】
一种基于机
‑
电转换的梯度减振结构和减振方法


[0001]本专利技术属于减振
，具体涉及一种基于机
‑
电转换的梯度减振结构和减振方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种基于机
‑
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。
[0005]为达到上述目的，本专利技术所述一种基于机
‑
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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]进一步的，单胞为面心立方结构。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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：
[0013]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；
[0014]步骤2、负泊松比
‑
振子单元减振层，振动进行减振；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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。
[0019]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：
[0020]本专利技术提出了一种基于机
‑
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。
[0021]本专利技术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。
[0022]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。
[0023]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
[0024]图1为该梯度减振结构部分的示意图；
[0025]图2为吸能层微晶格结构的单胞示意图；
[0026]图3为负泊松比
‑
振子单元减振层结构的示意图；
[0027]图4为负泊松比
‑
振子单元减振层结构的剖视图；
[0028]图5为该梯度结构复合板材的压电能量收集电路示意图；
[0029]图6为在有限元分析软件中的仿真简化模型示意图；
[0030]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；
[0031]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；
[0032]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；
[0033]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
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜维，赵飞楠，安健，刘红忠，蒋维涛，王兰兰，叶国永，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：