[發明專利]一種梁陣列形周期性壓電復合結構減振裝置及減振方法

有效

• 申請號: 201610223062.8
• 申請日: 2016-04-11
• 公開（公告）號: CN105864350B
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發明（設計）人: 胡元太;王羽茜
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: F16F15/00
• 分類號: F16F15/00;F16F15/02;H02N2/00
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙)42224
• 代理人: 方放

技術領域

本發明涉及精密加工平臺減振技術領域，具體涉及一種梁陣列形周期性壓電復合結構減振裝置及減振方法。

背景技術

超精密加工平臺對外部擾動非常敏感，環境中的微小擾動會嚴重影響其定位精度，因此需要減振裝置降低外部環境擾動的影響。而外部環境中的擾動通常具有頻率低、頻帶寬且來源復雜等特點，因此要求減振系統能夠具備多向減振功能和寬頻性能。

常用減振裝置可分為被動減振和主動減振兩大類。被動減振裝置(如螺旋彈簧、氣囊、調諧質量阻尼器等)具有原理簡單、設計方便等優點，但也存在一些局限性，如：螺旋彈簧系統對于低頻振動的抑制效果不明顯；而氣囊的承載力小、體積大，不適用于精密小型設備；調諧質量阻尼器常被用于高層建筑和海上平臺的減振，相當于一個彈簧-質量-阻尼子結構，當主體結構受到外部擾動而發生振動時，子結構就會產生與主結構振動方向相反的約束力，從而抵消或大部分抵消主結構的振動。但是，調諧質量阻尼器的使用，會引起系統的質量增加，不便于體積小、結構緊湊的結構設計。由傳感器、控制器與作動器結合可以構成主動減振裝置，但對于精密減振設備來說，主動減振裝置的結構需要布線且提供外加控制電源，過于復雜。

聲子晶體是一種新型減振結構，其對波動/振動的抑制作用在理論上和實驗中都已得到證實。基于聲子晶體理論，波在周期性結構中傳播，會在特定的頻段呈現禁帶特征，即在該頻率帶的振動能量不能在結構中傳播，從而可以達到減振的目的。近年來，還出現了壓電聲子晶體的設計方法，即，將壓電片周期性地粘貼或嵌入結構中，形成壓電聲子晶體，通過調節壓電片的分流電路來動態地調節該聲子晶體的等效剛度，從而調節其禁帶的頻率區間。但聲子晶體的禁帶往往出現在高階頻帶，不能實現低頻區間的減振、隔振。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的第一技術目的在于提供一種梁陣列形周期性壓電復合結構減振裝置，通過多個壓電梁層和多個金屬層交替疊放形成多個減振周期性結構，對于較高頻率振動通過周期性結構的頻率禁帶特征實現隔振。

針對現有技術的缺陷，本發明的第二技術目的在于提供一種用于上述減振裝置的寬頻減振優化方法，對于頻率相對較低的橫向振動，通過分流電路對壓電梁的彎曲變形進行控制實現寬頻減振。

為了實現本發明第一技術目的，本發明提供了一種梁陣列形周期性壓電復合結構減振裝置，其結構為：多層壓電梁陣列與多層金屬梁陣列交替疊放，相鄰層之間利用絕緣板固連。本發明通過多個壓電梁層和多個金屬層交替疊放形成多個減振周期性結構可以在相對較高的頻率范圍內呈現頻率禁帶特征，將水平方向/垂直方向振動隔離。

進一步地，所述每層壓電梁陣列的梁個數與每層金屬梁陣列的梁個數比值1:1～10，優選1:5～10，如此設計，考慮到常用的壓電陶瓷與金屬材料的力學參數差別不大、不利于形成顯著的周期性，從而通過根數的設計實現較好的周期性結構隔振效果。

進一步地，所述壓電梁與金屬梁的層數均為5～20，優選10層。

進一步地，所述壓電梁的結構可采用壓電雙晶梁和多層壓電梁中的任意一種，優選壓電雙晶梁；所述金屬梁采用鐵、鋁、銅中的任意一種，優選鋁；所述絕緣板采用鋼化玻璃或表面覆蓋絕緣涂層的鋼、鐵中的任意一種。

進一步地，所述減振裝置還包括多個由電感和電阻串聯構成的分流電路，各分流電路分別與各所述壓電梁連接形成回路。在各個獨立的電路中，壓電梁的等效電容分別與其分流電路并聯構成等效電路。對于底端的低頻橫向激勵，可以通過調節分流電路參數使得等效電路發生并聯諧振，從而電感線圈產生較強的電勢差作用于壓電梁，迫使壓電梁兩端的轉角差最小，從而達到減振效果。

由于壓電梁在x₃-方向的橫向振動激勵作用下會產生彎曲變形，壓電體內出現極化電場，在正負電極間形成電勢差，驅動電荷流動，與分流電路發生耦合。反過來，若分流電路兩端出現較大電勢差，該電勢差作用于壓電梁，逆壓電效應又會誘導壓電梁產生大的彎曲變形。若壓電梁表面開路或短路，當底端激勵的頻率接近該周期性壓電減振結構的某階固有頻率時，結構會發生共振而使結構頂端的振幅趨于極大值。若將壓電梁連入電阻-電感分流電路，并調節電感、電阻，使得等效電路的振蕩頻率接近結構的固有頻率，系統在該頻率的橫向振動激勵下會形成較強的力電耦合效應。尤其是當等效電路的導納Y_eq的虛部為0時，電路達到并聯諧振狀態，此時電感線圈中的電流變化率非常大，所以產生極大的電勢差作用于壓電梁上，對梁的彎曲變形產生強的約束作用，迫使壓電梁兩端的轉角差最小，從而抑制了整個結構的振動。