一种用于减振装置的阵列式压电耦合梁的动力性能研究

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现代建筑结构不断向轻质高强的方向进行发展,这使得通过增加构件截面尺寸来抵抗风荷载或地震荷载的传统方式已经不再适用,减振器作为一种最常用的减振设备在现代建筑结构的减振领域得到了广泛的应用。现有的被动减振器、主动/半主动减振器通常利用构件弯曲耗能或者向减振设备输入大量的能量来实现结构振动的控制,这些减振器通常具有成本较高、适应性较差的缺点,并且对振动能量不能进行回收利用。因此开发出一种新型减振装置成为诸多学者研究的热点。压电材料的发展为减振设备的设计提供了一种新的思路,利用压电材料的压电效应可以将结构中的振动能转化为电能以增大结构的阻尼从而实现结构的减振。压电减振装置的阻尼减振效果往往取决于内部压电组件的吸能效果,压电组件的吸能效果取决于自身有低的获能频率和大的获能频带宽度,为此,本文提出了一种阵列式压电耦合梁结构来达到高效吸能的目的,并在以下几个方面对其在振动中的动力学性能进行了研究并得到了一些重要的结论:(1)在实验中先以阵列式压电耦合梁结构中的3号压电耦合梁(3#PCC)为研究对象,分析探讨了压电耦合梁间隔以及阵列压电耦合梁个数对3#PCC动力性能的影响。实验结果表明:随着阵列中压电耦合梁个数的增加,3#PCC在第一个峰值点处的峰峰值电压及其对应的第一谐振频率均出现减小的趋势,同时3#PCC输出的电压曲线上的峰值点个数也会增多。(2)进一步的建立了阵列5根压电耦合梁工况下的实验研究,对1#-5#PCC在振动过程中的动态响应进行了分析。结果表明:随着间隔的增大压电耦合梁的谐振频率和峰峰值电压均出现增大的趋势而带宽呈现减小的趋势;耦合段长度的增加使得压电耦合梁的峰峰值电压和带宽升高而谐振频率出现降低;基板厚度的增加使得压电耦合梁的谐振频率升高而采集带宽和峰峰值电压出现降低。(3)基于COMSOL有限元软件对阵列压电耦合梁结构进行了拓展研究。首先以压电耦合段长度为60mm、基底厚度为2mm的构件尺寸建立了压电耦合梁间隔为3mm的有限元模型,将有限元仿真结果与实验数据进行了对比验证,证实了所建立有限元模型的精确性,为后续更多尺寸构件的研究提供了基础。(4)利用有限元软件拓展探究了压电耦合梁在更多压电耦合段长度、基板厚度、压电耦合梁间隔状况下的动力性能。基于有限元得到的结果推导了构件参数与阵列式压电耦合梁动力性能之间的理论公式。(5)拟合了5根压电耦合梁阵列工况下3#PCC阻尼系数与压电耦合梁阵列间隔、压电耦合段长度和基板厚度之间的函数关系。并基于得到的函数关系推导了在上述三种影响因素下3#PCC在正弦激励中梁端部位移的表达式。计算结果表明:低阵列间距、增大磁力、增加发电材料的面积和增加基板厚度等方式能够有效的增加压电耦合梁的阻尼,降低其端部位移以达到减震的效果。本文基于实验和有限元分析软件对用于减振装置的阵列压电耦合梁结构的动力性能进行了基本的探究,并推导出了相关的理论公式,为后续压电减振装置的设计提供了实验和理论基础。
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