[发明专利]一种梁阵列形周期性压电复合结构减振装置及减振方法

说明书

技术领域

本发明涉及精密加工平台减振技术领域，具体涉及一种梁阵列形周期性压电复合结构减振装置及减振方法。

背景技术

超精密加工平台对外部扰动非常敏感，环境中的微小扰动会严重影响其定位精度，因此需要减振装置降低外部环境扰动的影响。而外部环境中的扰动通常具有频率低、频带宽且来源复杂等特点，因此要求减振系统能够具备多向减振功能和宽频性能。

常用减振装置可分为被动减振和主动减振两大类。被动减振装置(如螺旋弹簧、气囊、调谐质量阻尼器等)具有原理简单、设计方便等优点，但也存在一些局限性，如：螺旋弹簧系统对于低频振动的抑制效果不明显；而气囊的承载力小、体积大，不适用于精密小型设备；调谐质量阻尼器常被用于高层建筑和海上平台的减振，相当于一个弹簧-质量-阻尼子结构，当主体结构受到外部扰动而发生振动时，子结构就会产生与主结构振动方向相反的约束力，从而抵消或大部分抵消主结构的振动。但是，调谐质量阻尼器的使用，会引起系统的质量增加，不便于体积小、结构紧凑的结构设计。由传感器、控制器与作动器结合可以构成主动减振装置，但对于精密减振设备来说，主动减振装置的结构需要布线且提供外加控制电源，过于复杂。

声子晶体是一种新型减振结构，其对波动/振动的抑制作用在理论上和实验中都已得到证实。基于声子晶体理论，波在周期性结构中传播，会在特定的频段呈现禁带特征，即在该频率带的振动能量不能在结构中传播，从而可以达到减振的目的。近年来，还出现了压电声子晶体的设计方法，即，将压电片周期性地粘贴或嵌入结构中，形成压电声子晶体，通过调节压电片的分流电路来动态地调节该声子晶体的等效刚度，从而调节其禁带的频率区间。但声子晶体的禁带往往出现在高阶频带，不能实现低频区间的减振、隔振。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的第一技术目的在于提供一种梁阵列形周期性压电复合结构减振装置，通过多个压电梁层和多个金属层交替叠放形成多个减振周期性结构，对于较高频率振动通过周期性结构的频率禁带特征实现隔振。

针对现有技术的缺陷，本发明的第二技术目的在于提供一种用于上述减振装置的宽频减振优化方法，对于频率相对较低的横向振动，通过分流电路对压电梁的弯曲变形进行控制实现宽频减振。

为了实现本发明第一技术目的，本发明提供了一种梁阵列形周期性压电复合结构减振装置，其结构为：多层压电梁阵列与多层金属梁阵列交替叠放，相邻层之间利用绝缘板固连。本发明通过多个压电梁层和多个金属层交替叠放形成多个减振周期性结构可以在相对较高的频率范围内呈现频率禁带特征，将水平方向/垂直方向振动隔离。

进一步地，所述每层压电梁阵列的梁个数与每层金属梁阵列的梁个数比值1:1～10，优选1:5～10，如此设计，考虑到常用的压电陶瓷与金属材料的力学参数差别不大、不利于形成显著的周期性，从而通过根数的设计实现较好的周期性结构隔振效果。

进一步地，所述压电梁与金属梁的层数均为5～20，优选10层。

进一步地，所述压电梁的结构可采用压电双晶梁和多层压电梁中的任意一种，优选压电双晶梁；所述金属梁采用铁、铝、铜中的任意一种，优选铝；所述绝缘板采用钢化玻璃或表面覆盖绝缘涂层的钢、铁中的任意一种。

进一步地，所述减振装置还包括多个由电感和电阻串联构成的分流电路，各分流电路分别与各所述压电梁连接形成回路。在各个独立的电路中，压电梁的等效电容分别与其分流电路并联构成等效电路。对于底端的低频横向激励，可以通过调节分流电路参数使得等效电路发生并联谐振，从而电感线圈产生较强的电势差作用于压电梁，迫使压电梁两端的转角差最小，从而达到减振效果。

由于压电梁在x₃-方向的横向振动激励作用下会产生弯曲变形，压电体内出现极化电场，在正负电极间形成电势差，驱动电荷流动，与分流电路发生耦合。反过来，若分流电路两端出现较大电势差，该电势差作用于压电梁，逆压电效应又会诱导压电梁产生大的弯曲变形。若压电梁表面开路或短路，当底端激励的频率接近该周期性压电减振结构的某阶固有频率时，结构会发生共振而使结构顶端的振幅趋于极大值。若将压电梁连入电阻-电感分流电路，并调节电感、电阻，使得等效电路的振荡频率接近结构的固有频率，系统在该频率的横向振动激励下会形成较强的力电耦合效应。尤其是当等效电路的导纳Y_eq的虚部为0时，电路达到并联谐振状态，此时电感线圈中的电流变化率非常大，所以产生极大的电势差作用于压电梁上，对梁的弯曲变形产生强的约束作用，迫使压电梁两端的转角差最小，从而抑制了整个结构的振动。