面向航空结构低频振动的力电耦合超材料板设计

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26959

固体力学与飞行器总体设计

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面向航空结构低频振动的力电耦合超材料板设计

沈显邦¹, 易凯军¹(), 景旭贞², 刘智元¹, 朱睿¹

^1.北京理工大学宇航学院，北京 100081
^2.中国空间技术研究院总体设计部，北京 100098

收稿日期:2022-01-17 修回日期:2022-02-16 接受日期:2022-04-02 出版日期:2022-04-08 发布日期:2022-04-06
通讯作者: 易凯军 E-mail:kaijun.yi@bit.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12202052);国家重点研发计划(2021YFE0110900)

Design of electromechanical coupled metamaterial plates for low-frequency vibration control in aircraft structures

Xianbang SHEN¹, Kaijun YI¹(), Xuzhen JING², Zhiyuan LIU¹, Rui ZHU¹

^1.School of Aerospace Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China
^2.China Academy of Space Technology，Beijing 100098，China

Received:2022-01-17 Revised:2022-02-16 Accepted:2022-04-02 Online:2022-04-08 Published:2022-04-06
Contact: Kaijun YI E-mail:kaijun.yi@bit.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12202052);National Key Research and Development Program of China(2021YFE0110900)

摘要/Abstract

摘要：

针对航空结构低频振动控制难的问题，提出将负电容与电感电路结合设计具有优异低频振动特性的力电耦合超材料板结构。该超材料板包含作为基底的普通板结构、周期分布在板表面的压电单元及与压电单元相连的包含电感和负电容的分流电路。首先通过有效介质理论，得到了超材料板等效抗弯刚度解析表达式并进行了修正。在此基础上，通过分析负电容对等效抗弯刚度的影响阐明了负电容拓宽禁带的机制。进一步推导了禁带范围的解析表达式，研究了负电容对禁带范围和位置的影响规律，理论结果表明负电容与电感并联可以将禁带宽度拓宽至原来的20倍以上。最后，通过数值算例验证了引入负电容后力电耦合超材料板能够在目标低频范围实现很好的振动抑制效果。

关键词: 超材料, 压电材料, 禁带, 低频, 减振

Abstract:

To overcome the difficulty of low-frequency vibration control in aircraft structures， a circuit with combined negative capacitance and inductance was proposed to design electromechanical coupled metamaterial plate with excellent low-frequency vibration characteristics. The metamaterial plate is composed of a general plate as the main structure， piezoelectric patches periodically arranged on the surface of the plate， and shunts connected with the piezoelectric patches including negative capacitance and inductance. Derived an analytical expression for equivalent bending stiffness of metamaterial plates based on the effective medium theory， and corrected the expression. On this basis， clarified the mechanism of broadening bandgaps via negative capacitance by analyzing the influence of negative capacitance on equivalent bending stiffness. Influence of negative capacitance on the bandgap range and position were studied， and the analytical expression was derived. The results show that the width of the bandgap can be broadened to more than 20 times when negative capacitance is in parallel with inductance. Finally， simulation results show that the electromechanical coupled metamaterial plate with negative capacitance can achieve significant vibration suppression effect in the target low-frequency range.

Key words: metamaterial, piezoelectric material, band gap, low frequency, vibration reduction

中图分类号:

V214.8

沈显邦, 易凯军, 景旭贞, 刘智元, 朱睿. 面向航空结构低频振动的力电耦合超材料板设计[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 226959-226959.

Xianbang SHEN, Kaijun YI, Xuzhen JING, Zhiyuan LIU, Rui ZHU. Design of electromechanical coupled metamaterial plates for low-frequency vibration control in aircraft structures[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(5): 226959-226959.

图/表 14

图 1

图 2

表 1

不同分流电路的阻抗

分流电路	纯电感	负电容-电感串联	负电容-电感并联
$Z s u$	$j ω L$	$- ω 2 L C 0 + 1 j ω C 0$	$j ω L 1 - ω 2 L C 0$

表 1

图 3

图 4

图 5

表 2

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

参考文献 25

1	LIU Z Y， ZHANG X X， MAO Y W， et al. Locally resonant sonic materials［J］. Science， 2000， 289（5485）： 1734-1736.
2	XIAO Y， WEN J H， WANG G， et al. Theoretical and experimental study of locally resonant and bragg band gaps in flexural beams carrying periodic arrays of beam-like resonators［J］. Journal of Vibration and Acoustics， 2013， 135（4）：41006-41023.
3	JUNG J， KIM H G， GOO S，et al. Realisation of a locally resonant metamaterial on the automobile panel structure to reduce noise radiation［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2019， 122： 206-231.
4	DROZ C， ROBIN O， ICHCHOU M， et al. Improving sound transmission loss at ring frequency of a curved panel using tunable 3D-printed small-scale resonators［J］. The Journal of the Acoustical Society of America， 2019， 145（1）： EL72-EL78.
5	SUN L， AU-YEUNG K Y， YANG M， et al. Membrane-type resonator as an effective miniaturized tuned vibration mass damper［J］. AIP Advances， 2016， 6（8）： 085212.
6	MA F Y， CAI Y Q， WU J H. Ultralight plat-type vibration damper with designable working bandwidth and strong multi-peak suppression performance［J］. Journal of Physics D： Applied Physics， 2021， 54（5）： 055303.
7	CHEN Y Y， BARNHART M V， CHEN J K， et al. Dissipative elastic metamaterials for broadband wave mitigation at subwavelength scale［J］. Composite Structures， 2016， 136： 358-371.
8	BARNHART M V， XU X， CHEN Y， et al. Experimental demonstration of a dissipative multi-resonator metamaterial for broadband elastic wave attenuation［J］. Journal of Sound and Vibration， 2019， 438： 1-12.
9	TANIKER S， YILMAZ C. Design， analysis and experimental investigation of three-dimensional structures with inertial amplification induced vibration stop bands［J］. International Journal of Solids and Structures， 2015， 72： 88-97.
10	THORP O， RUZZENE M， BAZ A. Attenuation and localization of wave propagation in rods with periodic shunted piezoelectric patches［J］. Smart Materials and Structures， 2001， 10（5）： 979-989.
11	CASADEI F， RUZZENE M， DOZIO L， et al. Broadband vibration control through periodic arrays of resonant shunts： experimental investigation on plates［J］. Smart Materials and Structures， 2010， 19（1）： 015002.
12	CASADEI F， DOZIO L， RUZZENE M， et al. Periodic shunted arrays for the control of noise radiation in an enclosure［J］. Journal of Sound and Vibration， 2010， 329（18）： 3632-3646.
13	ZHANG H， WEN J， XIAO Y， et al. Sound transmission loss of metamaterial thin plates with periodic subwavelength arrays of shunted piezoelectric patches［J］. Journal of Sound and Vibration， 2015， 343： 104-120.
14	AIROLDI L， RUZZENE M. Design of tunable acoustic metamaterials through periodic arrays of resonant shunted piezos［J］. New Journal of Physics， 2011， 13（11）： 113010.
15	FAN Y， COLLET M， ICHCHOU M， et al. A wave-based design of semi-active piezoelectric composites for broadband vibration control［J］. Smart Materials and Structures， 2016， 25（5）： 055032.
16	WANG G， WANG J W， CHEN S B， et al. Vibration attenuations induced by periodic arrays of piezoelectric patches connected by enhanced resonant shunting circuits［J］. Smart Materials and Structures， 2011， 20（12）： 125019.
17	LI L， JIANG Z， FAN Y， et al. Creating the coupled band gaps in piezoelectric composite plates by interconnected electric impedance［J］. Materials， 2018， 11（9）： E1656.
18	LI X P， CHEN Y Y， HU G K， et al. A self-adaptive metamaterial beam with digitally controlled resonators for subwavelength broadband flexural wave attenuation［J］. Smart Materials and Structures， 2018， 27（4）： 045015.
19	YI K J， MATTEN G， OUISSE M， et al. Programmable metamaterials with digital synthetic impedance circuits for vibration control［J］. Smart Materials and Structures， 2020， 29（3）： 035005.
20	WANG G， CHENG J Q， CHEN J W， et al. Multi-resonant piezoelectric shunting induced by digital controllers for subwavelength elastic wave attenuation in smart metamaterial［J］. Smart Materials and Structures， 2017， 26（2）： 025031.
21	SUGINO C， RUZZENE M， ERTURK A. Design and analysis of piezoelectric metamaterial beams with synthetic impedance shunt circuits［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2018， 23（5）： 2144-2155.
22	YI K J， LIU Z Y， ZHU R. Multi-resonant metamaterials based on self-sensing piezoelectric patches and digital circuits for broadband isolation of elastic wave transmission［J］. Smart Materials and Structures， 2022， 31（1）： 015042.
23	YI K J， COLLET M. Broadening low-frequency bandgaps in locally resonant piezoelectric metamaterials by negative capacitance［J］. Journal of Sound and Vibration， 2021， 493： 115837.
24	COLLET M， OUISSE M， RUZZENE M， et al. Floquet-bloch decomposition for the computation of dispersion of two-dimensional periodic， damped mechanical systems［J］. International Journal of Solids and Structures， 2011， 48（20）： 2837-2848.
25	COLLET M， OUISSE M， ICHCHOU M N. Structural energy flow optimization through adaptive shunted piezoelectric metacomposites［J］. Journal of Intelligent Material Systems and Structures， 2012， 23（15）： 1661-1677.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	基底板	压电片
材料	铝	PZT-5H
长度/mm	33.6	30.1
宽度/mm	33.6	30.1
厚度/mm	4	1
拉伸模量/GPa	70.0	58.8
密度/（kg·m^-3）	2 700	7 700
耦合压电常数/（C·N^-1）		-1.7×10^-10
常应力下介电常数		1 800
泊松比	0.33	0.39

[1]	姜周, 范雨, 李琳, 石佳慧. 基于禁带机理的加筋板减振设计方法[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 226007-226007.
[2]	童福林, 董思卫, 段俊亦, 李新亮. 激波/湍流边界层干扰分离泡直接数值模拟[J]. 航空学报, 2022, 43(7): 125437-125437.
[3]	李航行, 胡迪科, 吴邵庆. 复合材料整流罩减振降噪的动力吸振器设计[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 225249-225249.
[4]	范孝华, 唐志共, 王刚, 杨彦广. 激波/湍流边界层干扰低频非定常性研究评述[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 625917-625917.
[5]	顾金桃, 王晓乐, 汤又衡, 周杰, 黄震宇. 提高飞机壁板低频宽带隔声的层合声学超材料[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 224785-224785.
[6]	王敏, 吴军卫, 蒲华燕, 孙翊, 彭艳, 谢少荣, 罗均, 丁基恒. 基于多边形膜片弹簧与压电致动器复合的一体化主被动Stewart减振系统[J]. 航空学报, 2021, 42(9): 224532-224532.
[7]	李林, 吴红飞, 朱建鑫, 黄家杰, 杨帆. 集成低频脉冲功率解耦端口的机载电源系统[J]. 航空学报, 2021, 42(6): 624584-624584.
[8]	李远霄, 焦锋, 张世杰, 张顺, 王雪, 童景琳. 高低频复合振动钻削CFRP/钛合金叠层结构试验[J]. 航空学报, 2021, 42(10): 524802-524802.
[9]	路达, 刘金国, 高海波. 星球表面着陆巡视一体化探测机器人研究进展[J]. 航空学报, 2021, 42(1): 523742-523742.
[10]	袁维东, 高瞻, 刘浩康, 缪国峰. 基于改进准则法的复合壳阻尼结构拓扑减振动力学优化[J]. 航空学报, 2020, 41(1): 223162-223162.
[11]	马英群, 徐蒙, 张锴, 赵巍, 赵庆军. 基于结构声强法的机匣振动能量传递特性[J]. 航空学报, 2019, 40(9): 222938-222938.
[12]	叶立军, 刘付成, 尹海宁, 徐樱, 宝音贺西. 基于纵向滤波的星敏感器低频误差在线估计[J]. 航空学报, 2019, 40(10): 323163-323163.
[13]	温卓群, 王鹏飞, 张雁, 蒋艳芬. 面向大尺度结构的力学超材料减振技术[J]. 航空学报, 2018, 39(S1): 721651-721651.
[14]	於为刚, 陈果, 刘彬彬, 寸文渊, 张茂林, 赵正大, 陈雪梅, 侯民利. 飞机管道颗粒碰撞阻尼器设计与试验验证[J]. 航空学报, 2018, 39(12): 422264-422264.
[15]	赵琳, 谢睿达, 刘源, 郝勇. 星敏感器低频误差与陀螺漂移离线校正方法[J]. 航空学报, 2017, 38(5): 320552-320552.

面向航空结构低频振动的力电耦合超材料板设计

Design of electromechanical coupled metamaterial plates for low-frequency vibration control in aircraft structures

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