本發(fā)明涉及振動(dòng)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種產(chǎn)生彎曲與軸向耦合振動(dòng)帶隙的周期梁。

背景技術(shù)：

振動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備等的危害包括降低設(shè)備性能、縮短壽命、造成結(jié)構(gòu)破壞等。至今人們?nèi)栽诓粩嗵剿魅绾胃行У南涂刂朴泻φ駝?dòng)。一般來(lái)說(shuō)，要消除或減小振動(dòng)，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(dòng)的傳播途徑，亦或改變受振動(dòng)物體的動(dòng)力特性。目前應(yīng)用較多的減振和隔振技術(shù)，即分別針對(duì)振源和傳播途徑進(jìn)行。這些技術(shù)一般依賴特別構(gòu)造的阻尼器、隔振器、減振器等。但這些技術(shù)，由于大多不能精確針對(duì)實(shí)際需要控制的振動(dòng)頻率范圍，其減振或隔振較為分散，效果并不理想。

近年來(lái)，聲子晶體概念的出現(xiàn)為精確消除特定頻率范圍振動(dòng)展現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(dòng)在其中傳播的頻散關(guān)系中在特定頻率范圍發(fā)生斷裂，即出現(xiàn)了所謂的彈性波帶隙或振動(dòng)帶隙。這意味著相應(yīng)的彈性波或振動(dòng)無(wú)法存在于該聲子晶體中，理論上可實(shí)現(xiàn)帶隙頻率范圍內(nèi)振動(dòng)的完美消除。

梁結(jié)構(gòu)是極為重要的承載構(gòu)件，在建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備中均有普遍應(yīng)用。梁可傳遞軸力、剪力、彎矩，故梁受到激勵(lì)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)將以軸向振動(dòng)、彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等的形式在其中傳播，進(jìn)而使振動(dòng)波及與其相連的各處發(fā)生不同形式的振動(dòng)甚至損壞。因此，若能利用聲子晶體概念，使梁隔離激勵(lì)的作用，將可極大減小結(jié)構(gòu)、設(shè)備受振動(dòng)發(fā)生破壞、縮短壽命、性能降低等危害?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)承載與消除振動(dòng)的兼顧。

但對(duì)于梁而言，其中可傳播的振動(dòng)包括彎曲振動(dòng)、軸向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等，且一般聲子晶體梁的彎曲振動(dòng)帶隙、軸向振動(dòng)帶隙、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)帶隙并不相關(guān)聯(lián)。尤其是對(duì)梁影響最大的彎曲振動(dòng)和軸向振動(dòng)，相應(yīng)的彎曲振動(dòng)帶隙與軸向振動(dòng)帶隙，頻率范圍相差很大，難以同時(shí)發(fā)揮作用。故一般聲子晶體梁很難實(shí)現(xiàn)較好的實(shí)際減振效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)產(chǎn)生彎曲與軸向耦合振動(dòng)帶隙，從而實(shí)現(xiàn)彎曲振動(dòng)和軸向振動(dòng)同時(shí)消除的周期梁。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種產(chǎn)生彎曲與軸向耦合振動(dòng)帶隙的周期梁，所述周期梁由多個(gè)相同的三折線梁在同一平面內(nèi)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(nèi)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(zhǎng)，中間段長(zhǎng)度為首、末段長(zhǎng)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(shí)的長(zhǎng)度損耗誤差忽略不計(jì)，所形成的周期梁以一個(gè)三折線梁為一周期，軸向延伸，周期數(shù)越多，其產(chǎn)生帶隙效果越好。

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

進(jìn)一步的，所述三折線梁的折點(diǎn)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(zhǎng)度)為0.02～5:1。

進(jìn)一步的，所述三折線梁的截面形狀為圓形、矩形、圓環(huán)形和框形中的一種。

進(jìn)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(jù)實(shí)際生產(chǎn)和后續(xù)安裝的需要選擇不同的形式。

進(jìn)一步的，上述剛性連接為螺栓連接、焊接和粘結(jié)劑連接中的一種或多種。

進(jìn)一步的，所述三折線梁采用金屬或聚合物或者其他均質(zhì)材料制成，由于聲子晶體本身可依靠材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化來(lái)調(diào)控振動(dòng)帶隙的頻率范圍，所以可以根據(jù)工程實(shí)際環(huán)境選用不同的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，使本發(fā)明的周期梁產(chǎn)生覆蓋不同頻率范圍的彎曲與軸向耦合振動(dòng)帶隙，從而同時(shí)消除該頻率范圍內(nèi)的彎曲振動(dòng)與軸向振動(dòng)。

工作原理：自低頻到高頻，均質(zhì)直梁的平面內(nèi)彎曲波與軸向波的頻散曲線中有若干交點(diǎn)，代表兩種波動(dòng)的簡(jiǎn)并態(tài)，即同一頻率對(duì)應(yīng)一種彎曲波和一種軸向波。若將頻率最低的簡(jiǎn)并態(tài)消除，即可打開(kāi)一條同時(shí)對(duì)彎曲波與軸向波有效的帶隙。但由于均質(zhì)直梁的平面內(nèi)彎曲波與軸向波是相互獨(dú)立的，故雖然存在所述簡(jiǎn)并態(tài)，但絕無(wú)將其消除的可能。為了將所述兼并態(tài)消除，通過(guò)將梁設(shè)為特定形狀(類似z形或者倒z形)，實(shí)現(xiàn)彎曲波與軸向波的耦合，由此，彎曲波與軸向波不再相互獨(dú)立；進(jìn)而，通過(guò)連接所述特定形狀(類似z形或者倒z形)構(gòu)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(guò)消除彎曲波與軸向波簡(jiǎn)并態(tài)產(chǎn)生帶隙的基本條件。該帶隙即為彎曲與軸向耦合振動(dòng)帶隙。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：(1)通過(guò)將常規(guī)材料構(gòu)成的直梁進(jìn)行特定形狀(類似z形或者倒z形)的周期性組合連接形成的周期梁，可以產(chǎn)生彎曲與軸向耦合振動(dòng)帶隙，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)周期梁整體所在平面延伸方向上彎曲振動(dòng)和軸向振動(dòng)的共同控制與消除；(2)可以根據(jù)工程環(huán)境實(shí)際需求選擇材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生特定頻率范圍內(nèi)的彎曲與軸向耦合振動(dòng)帶隙，從而共同控制和消除該特定頻率范圍內(nèi)的彎曲振動(dòng)和軸向振動(dòng)，且構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的周期梁立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的周期梁平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的三折線梁結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的周期梁采用實(shí)施例1中的材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)，且為無(wú)限周期時(shí)，周期梁平面內(nèi)彎曲與軸向振動(dòng)的頻散關(guān)系圖；

圖5為本發(fā)明的周期梁采用實(shí)施例1中的材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)，且周期數(shù)為16的情況下在周期梁所在平面內(nèi)入射垂直于梁整體延伸方向振動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)圖；

圖6為本發(fā)明的周期梁采用實(shí)施例1中的材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)，且周期數(shù)為16的情況下在周期梁所在平面內(nèi)入射沿梁整體延伸方向振動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)圖；

圖7為本發(fā)明的周期梁采用實(shí)施例2中的材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)，且為無(wú)限周期時(shí)，周期梁平面內(nèi)彎曲與軸向振動(dòng)的頻散關(guān)系圖；

圖8為本發(fā)明的周期梁采用實(shí)施例2中的材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)，且周期數(shù)為20的情況下在周期梁所在平面內(nèi)入射垂直于梁整體延伸方向振動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)圖；

圖9為本發(fā)明的周期梁采用實(shí)施例2中的材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)，且周期數(shù)為20的情況下在周期梁所在平面內(nèi)入射沿梁整體延伸方向振動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)圖；

圖10為本發(fā)明的周期梁采用實(shí)施例3中的材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)，且為無(wú)限周期時(shí)，周期梁平面內(nèi)彎曲與軸向振動(dòng)的頻散關(guān)系圖；

圖11為本發(fā)明的周期梁采用實(shí)施例3中的材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)，且周期數(shù)為25的情況下在周期梁所在平面內(nèi)入射垂直于梁整體延伸方向振動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)圖；

圖12為本發(fā)明的周期梁采用實(shí)施例3中的材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)，且周期數(shù)為25的情況下在周期梁所在平面內(nèi)入射沿梁整體延伸方向振動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

本發(fā)明的一種產(chǎn)生彎曲與軸向耦合振動(dòng)帶隙的周期梁，如圖1所示，該周期梁1由16個(gè)相同的三折線梁2在同一平面內(nèi)首尾連接而成(即該周期梁的周期數(shù)為16)，所述三折線梁2由首、中、末三段直線段梁3在同一平面內(nèi)首尾連接而成，其中，該三折線梁2的首、末段平行且等長(zhǎng)，中間段長(zhǎng)度為首、末段長(zhǎng)度的兩倍，相鄰的三折線梁2的首、尾段連接成直線段。如圖2所示，所形成的周期梁以一個(gè)三折線梁為一周期，沿x軸方向延伸。

如圖3所示，所述三折線梁2的首尾端距離(即該周期梁的周期長(zhǎng)度)為0.1m，且其折點(diǎn)4到首尾端連接線5的距離比首尾端距離(即該周期梁的半高度比周期長(zhǎng)度)為0.1:1。

所述三折線梁2的截面形狀為矩形，該矩形長(zhǎng)寬均為0.002m。

所述三折線梁2由直線段梁3焊接而成，所述周期梁1由三折線梁2螺栓連接而成。

所述三折線梁2采用密度為2730kg·m^-3,彈性模量為7.76×10¹⁰pa的鋁。

在對(duì)本實(shí)施例所限定的結(jié)構(gòu)做數(shù)據(jù)模擬時(shí)，先將其周期數(shù)選為無(wú)限周期(此為理想情況)，再在0～5000hz內(nèi)進(jìn)行彎曲與軸向振動(dòng)頻散關(guān)系模擬，模擬結(jié)果如圖4所示，在776～1759hz范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的彎曲與軸向耦合振動(dòng)帶隙，理想情況下，在此范圍內(nèi)，任何彎曲振動(dòng)與軸向振動(dòng)都是禁止的。

對(duì)本實(shí)施例周期梁周期數(shù)為16的情況下進(jìn)行頻率響應(yīng)模擬，在周期梁所在平面內(nèi)入射垂直于梁整體延伸方向的振動(dòng)(即彎曲振動(dòng))得到頻率響應(yīng)函數(shù)圖，如圖5所示。

對(duì)本實(shí)施例周期梁周期數(shù)為16的情況下進(jìn)行頻率響應(yīng)模擬，在周期梁所在平面內(nèi)入射沿梁整體延伸方向的振動(dòng)(即軸向振動(dòng))得到頻率響應(yīng)函數(shù)圖，如圖6所示。

如圖5所示，16周期的梁結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)在777～1761hz范圍內(nèi)衰減明顯，最低接近-150db，證明彎曲振動(dòng)在此頻率范圍的傳播收到了阻礙，幾乎不能通過(guò)；如圖6所示，16周期的梁結(jié)構(gòu)的軸向振動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)在777～1759hz范圍內(nèi)衰減明顯，最低接近-150db，證明軸向振動(dòng)在此頻率范圍的傳播受到了阻礙，幾乎不能通過(guò)，所以顯然，彎曲振動(dòng)與軸向振動(dòng)在幾乎相同的頻率范圍受到了阻礙，且該范圍與圖4所示的理想情況下的帶隙范圍一致，及彎曲振動(dòng)帶隙與軸向振動(dòng)帶隙發(fā)生耦合，當(dāng)該周期梁的周期數(shù)目足夠時(shí)，其與理想情況下無(wú)限周期結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特征十分接近，同時(shí)也驗(yàn)證了圖4、圖5和圖6的正確性。

實(shí)施例2

該周期梁1由20個(gè)相同的三折線梁2在同一平面內(nèi)首尾連接而成(即該周期梁的周期數(shù)為20)，所述三折線梁2由首、中、末三段直線段梁3在同一平面內(nèi)首尾連接而成，其中，該三折線梁2的首、末段平行且等長(zhǎng)，中間段長(zhǎng)度為首、末段長(zhǎng)度的兩倍，相鄰的三折線梁2的首、尾段連接成直線段。如圖2所示，所形成的周期梁以一個(gè)三折線梁為一周期，沿x軸方向延伸。

如圖3所示，所述三折線梁2的首尾端距離(即該周期梁的周期長(zhǎng)度)為0.0001m，且其折點(diǎn)4到首尾端連接線5的距離比首尾端距離(即該周期梁的半高度比周期長(zhǎng)度)為5:1。

所述三折線梁2的截面形狀為圓形，該圓形直徑為0.00001m。

所述三折線梁2由直線段梁3螺栓連接而成，所述周期梁1由三折線梁2焊接而成。

所述三折線梁2采用密度為1180kg·m^-3,彈性模量為0.435×10¹⁰pa的環(huán)氧樹(shù)脂。

在對(duì)本實(shí)施例所限定的結(jié)構(gòu)做數(shù)據(jù)模擬時(shí)，先將其周期數(shù)選為無(wú)限周期(此為理想情況)，再在0～30000hz內(nèi)進(jìn)行彎曲與軸向振動(dòng)頻散關(guān)系模擬，模擬結(jié)果如圖7所示，在2676～16672hz與17064～27231hz范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的彎曲與軸向耦合振動(dòng)帶隙，理想情況下，在此范圍內(nèi)，任何彎曲振動(dòng)與軸向振動(dòng)都是禁止的。

對(duì)本實(shí)施例周期梁周期數(shù)為20的情況下進(jìn)行頻率響應(yīng)模擬，在周期梁所在平面內(nèi)入射垂直于梁整體延伸方向的振動(dòng)(即彎曲振動(dòng))得到頻率響應(yīng)函數(shù)圖，如圖8所示。

對(duì)本實(shí)施例周期梁周期數(shù)為20的情況下進(jìn)行頻率響應(yīng)模擬，在周期梁所在平面內(nèi)入射沿梁整體延伸方向的振動(dòng)(即軸向振動(dòng))得到頻率響應(yīng)函數(shù)圖，如圖9所示。

如圖8所示，20周期的梁結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)在2670～16680hz與17060～27200hz范圍內(nèi)衰減明顯，最低低于-60db，證明彎曲振動(dòng)在此頻率范圍的傳播收到了阻礙，幾乎不能通過(guò)；如圖9所示，20周期的梁結(jié)構(gòu)的軸向振動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)在2670～16670hz與17090～27580范圍內(nèi)衰減明顯，最低低于-120db，證明軸向振動(dòng)在此頻率范圍的傳播受到了阻礙，幾乎不能通過(guò)，所以顯然，彎曲振動(dòng)與軸向振動(dòng)在幾乎相同的頻率范圍受到了阻礙，且該范圍與圖7所示的理想情況下的帶隙范圍一致，及彎曲振動(dòng)帶隙與軸向振動(dòng)帶隙發(fā)生耦合。

實(shí)施例3

該周期梁1由25個(gè)相同的三折線梁2在同一平面內(nèi)首尾連接而成(即該周期梁的周期數(shù)為25)，所述三折線梁2由首、中、末三段直線段梁3在同一平面內(nèi)首尾連接而成，其中，該三折線梁2的首、末段平行且等長(zhǎng)，中間段長(zhǎng)度為首、末段長(zhǎng)度的兩倍，相鄰的三折線梁2的首、尾段連接成直線段。如圖2所示，所形成的周期梁以一個(gè)三折線梁為一周期，沿x軸方向延伸。

如圖3所示，所述三折線梁2的首尾端距離(即該周期梁的周期長(zhǎng)度)為5m，且其折點(diǎn)4到首尾端連接線5的距離比首尾端距離(即該周期梁的半高度比周期長(zhǎng)度)為0.02:1。

所述三折線梁2的截面形狀為環(huán)形，該環(huán)形外直徑為0.0005m，內(nèi)徑為0.0003m。

所述三折線梁2一體成型，所述周期梁1一體成型。

所述三折線梁2采用密度為7800kg·m^-3,彈性模量為21.0×10¹⁰pa的鋼。

在對(duì)本實(shí)施例所限定的結(jié)構(gòu)做數(shù)據(jù)模擬時(shí)，先將其周期數(shù)選為無(wú)限周期(此為理想情況)，再在0～2.5hz內(nèi)進(jìn)行彎曲與軸向振動(dòng)頻散關(guān)系模擬，模擬結(jié)果如圖10所示，在1.373～1.896hz范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的彎曲與軸向耦合振動(dòng)帶隙，理想情況下，在此范圍內(nèi)，任何彎曲振動(dòng)與軸向振動(dòng)都是禁止的。

對(duì)本實(shí)施例周期梁周期數(shù)為25的情況下進(jìn)行頻率響應(yīng)模擬，在周期梁所在平面內(nèi)入射垂直于梁整體延伸方向的振動(dòng)(即彎曲振動(dòng))得到頻率響應(yīng)函數(shù)圖，如圖11所示。

對(duì)本實(shí)施例周期梁周期數(shù)為25的情況下進(jìn)行頻率響應(yīng)模擬，在周期梁所在平面內(nèi)入射沿梁整體延伸方向的振動(dòng)(即軸向振動(dòng))得到頻率響應(yīng)函數(shù)圖，如圖12所示。

如圖11所示，25周期的梁結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)在1.380～1.905hz范圍內(nèi)衰減明顯，最低接近-90db，證明彎曲振動(dòng)在此頻率范圍的傳播收到了阻礙，幾乎不能通過(guò)；如圖12所示，25周期的梁結(jié)構(gòu)的軸向振動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)在1.375～1.904hz范圍內(nèi)衰減明顯，最低接近-90db，證明軸向振動(dòng)在此頻率范圍的傳播受到了阻礙，幾乎不能通過(guò)，所以顯然，彎曲振動(dòng)與軸向振動(dòng)在幾乎相同的頻率范圍受到了阻礙，且該范圍與圖10所示的理想情況下的帶隙范圍一致，及彎曲振動(dòng)帶隙與軸向振動(dòng)帶隙發(fā)生耦合。