[發明專利]一種產生彎曲與軸向耦合振動帶隙的周期梁

在審

• 申請號: 201710054774.6
• 申請日: 2017-01-24
• 公開（公告）號: CN106760183A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 韓林;張研
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: E04C3/02
• 分類號: E04C3/02;E04C3/28
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及振動控制領域，尤其涉及一種產生彎曲與軸向耦合振動帶隙的周期梁。

背景技術

振動對建筑結構、機械設備等的危害包括降低設備性能、縮短壽命、造成結構破壞等。至今人們仍在不斷探索如何更有效的消除和控制有害振動。一般來說，要消除或減小振動，可以控制和減小振源的能量輸出及頻率范圍，或改變和減少振動的傳播途徑，亦或改變受振動物體的動力特性。目前應用較多的減振和隔振技術，即分別針對振源和傳播途徑進行。這些技術一般依賴特別構造的阻尼器、隔振器、減振器等。但這些技術，由于大多不能精確針對實際需要控制的振動頻率范圍，其減振或隔振較為分散，效果并不理想。

近年來，聲子晶體概念的出現為精確消除特定頻率范圍振動展現了新的策略。聲子晶體是類比晶體、光子晶體提出的概念。它在宏觀結構上具有類似晶體的周期性。特定的材料或幾何的周期性排列，使彈性波或振動在其中傳播的頻散關系中在特定頻率范圍發生斷裂，即出現了所謂的彈性波帶隙或振動帶隙。這意味著相應的彈性波或振動無法存在于該聲子晶體中，理論上可實現帶隙頻率范圍內振動的完美消除。

梁結構是極為重要的承載構件，在建筑結構、機械設備中均有普遍應用。梁可傳遞軸力、剪力、彎矩，故梁受到激勵發生振動時，振動將以軸向振動、彎曲振動、扭轉振動等的形式在其中傳播，進而使振動波及與其相連的各處發生不同形式的振動甚至損壞。因此，若能利用聲子晶體概念，使梁隔離激勵的作用，將可極大減小結構、設備受振動發生破壞、縮短壽命、性能降低等危害。可實現對承載與消除振動的兼顧。

但對于梁而言，其中可傳播的振動包括彎曲振動、軸向振動、扭轉振動等，且一般聲子晶體梁的彎曲振動帶隙、軸向振動帶隙、扭轉振動帶隙并不相關聯。尤其是對梁影響最大的彎曲振動和軸向振動，相應的彎曲振動帶隙與軸向振動帶隙，頻率范圍相差很大，難以同時發揮作用。故一般聲子晶體梁很難實現較好的實際減振效果。

發明內容

發明目的：本發明的目的是提供一種通過產生彎曲與軸向耦合振動帶隙，從而實現彎曲振動和軸向振動同時消除的周期梁。

技術方案：本發明所述的一種產生彎曲與軸向耦合振動帶隙的周期梁，所述周期梁由多個相同的三折線梁在同一平面內首尾連接而成，所述三折線梁由首、中、末三段直線段梁在同一平面內首尾連接而成(類似Z形或者倒Z形)，其中，該三折線梁的首、末段平行且等長，中間段長度為首、末段長度的兩倍，相鄰的三折線梁的首、尾段連接成直線段。上述直線段梁在連接時的長度損耗誤差忽略不計，所形成的周期梁以一個三折線梁為一周期，軸向延伸，周期數越多，其產生帶隙效果越好。

進一步的，所述三折線梁的首尾端距離(即周期梁一周期的長度)為0.0001～5m。

進一步的，所述三折線梁的折點到首尾端連接線的距離比首尾端距離(即該周期梁的半高度比周期長度)為0.02～5:1。

進一步的，所述三折線梁的截面形狀為圓形、矩形、圓環形和框形中的一種。

進一步的，所述三折線梁一體成型或者由直線段梁剛性連接而成，所述周期梁一體成型或者由三折線梁剛性連接而成，可以根據實際生產和后續安裝的需要選擇不同的形式。

進一步的，上述剛性連接為螺栓連接、焊接和粘結劑連接中的一種或多種。

進一步的，所述三折線梁采用金屬或聚合物或者其他均質材料制成，由于聲子晶體本身可依靠材料參數和結構參數的變化來調控振動帶隙的頻率范圍，所以可以根據工程實際環境選用不同的材料和結構參數，使本發明的周期梁產生覆蓋不同頻率范圍的彎曲與軸向耦合振動帶隙，從而同時消除該頻率范圍內的彎曲振動與軸向振動。

工作原理：自低頻到高頻，均質直梁的平面內彎曲波與軸向波的頻散曲線中有若干交點，代表兩種波動的簡并態，即同一頻率對應一種彎曲波和一種軸向波。若將頻率最低的簡并態消除，即可打開一條同時對彎曲波與軸向波有效的帶隙。但由于均質直梁的平面內彎曲波與軸向波是相互獨立的，故雖然存在所述簡并態，但絕無將其消除的可能。為了將所述兼并態消除，通過將梁設為特定形狀(類似Z形或者倒Z形)，實現彎曲波與軸向波的耦合，由此，彎曲波與軸向波不再相互獨立；進而，通過連接所述特定形狀(類似Z形或者倒Z形)構造周期梁，使彎曲波與軸向波成為布洛赫波，由此，滿足了通過消除彎曲波與軸向波簡并態產生帶隙的基本條件。該帶隙即為彎曲與軸向耦合振動帶隙。