[发明专利]一种基于机-电转换的梯度减振结构和减振方法

说明书

本发明公开了一种基于机‑电转换的梯度减振结构和减振方法，采用梯度结构设计思想，其分别包括支撑保护层、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，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。一方面，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，且在长期工作条件下，不会和传统减振结构一样产生严重发热，可以保持良好的减振效果。

技术领域

本发明属于减振技术领域，具体涉及一种基于机-电转换的梯度减振结构和减振方法。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明提供了一种基于机-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。

为达到上述目的，本发明所述一种基于机-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。

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。

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。

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。

进一步的，单胞为面心立方结构。

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。

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。

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：

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；

步骤2、负泊松比-振子单元减振层，振动进行减振；

步骤3、第一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；

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；

步骤5、吸能层下的第二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。