基于局域共振声子带隙的扭转减振器设计方法
局域共振声子晶体板的减振降噪研究
局域共振声子晶体板的减振降噪研究郭旭1，2，崔洪宇1，洪明1（1.大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连116024；2.东风日产乘用车公司技术中心，广州510800）摘要：针对船舶设备及结构的振动噪声控制问题，提出一种附加圆柱型振子的声子晶体板结构。
基于周期结构的Bloch 定理，采用有限元方法对声子晶体板的带隙特性进行计算，并通过振动传递率和隔声损失来描述声子晶体板的隔振及隔声效果，在此基础上分析了散射体几何参数及布置形式对隔振及隔声效果的影响。
研究表明，声子晶体板在特定频率范围内具有很好的隔振及隔声效果，通过合理设计散射体几何参数及布置形式，可以实现结构的低频宽带隔振及宽带隔声，在船舶振动噪声领域中具有很好的应用前景。
关键词：声子晶体；带隙特性；船舶结构；减振降噪中图分类号：O48O734文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1007-7294.2021.04.014Research on vibration and noise reduction of local resonant phononic crystal plateGUO Xu 1,2,CUI Hong-yu 1,HONG Ming 1(1.School of Naval Architecture Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China;2.Technical Center,Dong Feng Nissan,Guangzhou 510800,China)Abstract:To suppress the propagation of vibration and noise in the ship equipment and structure,a phonon⁃ic crystal plate structure was designed with additional cylindrical vibrators.Based on the Bloch theorem of pe⁃riodic structure,the band gap of the phononic crystal plate was obtained with finite element method,the ef⁃fects of vibration isolation and sound insulation were described by vibration transmission rate and sound insu⁃lation loss.Moreover,the effects of the geometric parameters and arrangement of the scatterers on the vibra⁃tion isolation and sound insulation effects were analyzed.It is shown that the phononic crystal plate has a good vibration isolation and sound insulation effect in a specific frequency range.By rationally designing the scatterer geometric parameters and arrangement form,the low-frequency broadband vibration isolation and broadband sound insulation of the structure can be realized,which supplies more application opportunities in the vibration and noise reduction.Key words:phononic crystal;band gap characteristic;ship structure;vibration and noise reduction.0引言随着船舶向轻量化、快速化及重载化方向发展，船舶的振动噪声问题日益突出。
【精品】汽车曲轴扭转减振器的设计
汽车曲轴扭转减振器的设计07汽车黄好锐一．摘要:为降低曲轴扭转振动对发动机前端附件驱动系统的影响,在介绍曲轴减振器参数优化设计方法及数学模型的基础上,对曲轴二级并联橡胶扭转减振器参数设计提出了一种新的优化方法,这种方法以同时降低曲轴和带轮的扭转振幅为目标对减振器进行优化。
计算结果表明,采用文中提出的优化设计方法设计的减振器,不但曲轴的扭转振动特性得到改善,曲轴带轮的振动也得到很好控制。
二．关键词:曲轴橡胶扭转减振器扭转振动优化设计振动模型三．前言；汽车发动机曲轴是一个非常重要的部件，它的制造工艺复杂，质量要求高。
当发动机工作时，曲轴振动主要为扭转方向的振动，同时弯曲方向也可能产生振动。
如何减小曲轴的振动，是发动机曲轴设计的重要内容之一。
减少曲轴振动的常用手段是曲轴前端安装减振器。
目前在汽车发动机曲轴系统广泛应用的是橡胶阻尼式单级扭转减振器，其阻尼值偏小，常常达不到曲轴系统的减振要求。
本文介绍了当今国外发动机中应用较多的若干复杂结构型式的汽车发动机曲轴减振器，希望国内的发动机生产厂家在开发新机型时，应采用这些具有良好减振性能的曲轴减振器的新结构，以提高国产发动机曲轴的寿命和降低发动机的振动和噪声四。
目录；1．扭转减振器的设计2.曲轴轴系扭转振动设计3橡胶扭转减振器设计4．扭转减振器的DMF的性能设计5．扭转减振器的阻尼设计6．扭转减振器优化设计7．扭转减振器的模型设计8．结论五。
正文1．扭转减振器的设计扭转减振器主要由弹性元件(减振弹簧或橡胶)和阻尼元件(阻尼片)等组成。
弹性元件的主要作用是降低传动系的首端扭转刚度，从而降低传动系扭转系统的某阶(通常为三阶)固有频率，改变系统的固有振型，使之尽可能避开由发动机转矩主谐量激励引起的共振；阻尼元件的主要作用是有效地耗散振动能量。
所以，扭转减振器具有如下功能：如何降低主轴承的负荷和曲轴的内弯矩，减小曲轴的扭转振幅，把曲轴的共振转速移向发动机从不使用的转速区域内，把曲轴的扭转频率改到人们感觉不到的频率上去，避免在正常转速内出现共振现象，设计者必须结合自己的经验、现有的计算手段和试验条件，全方位考虑降低发动机曲轴与传动系接合部分的扭转刚度，调谐传动系扭振固有频率，增加传动系扭振阻尼，抑制扭转共振响应振幅，衰减因冲击而产生的瞬态扭振。
应用最优经典设计法设计曲轴扭转减振器
应用最优经典设计法设计曲轴扭转减振器邓璘【摘要】发动机曲轴系统的扭转振动是引发发动机振动造成断裂的重要因素,以某30T工程车辆直列四缸发动机曲轴轴系作为研究对象,建立曲轴轴系的ANSYS有限单元模型,基于模型分析轴系的扭转振动的固有振动和强迫振动特性,获得常用转速范围内的主谐次与次主谐次及对应发动机转速,结合最优经典设计方法对曲轴扭转减振器的参数进行设计,基于有限单元模型验证不同工况下减振器的减振效果;结果表明所设计减振器减振效果良好,为同类车辆发动机曲轴系统的扭转振动分析、扭转减振器的设计及分析提供参考.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】4页(P265-268)【关键词】发动机;曲轴;扭转振动;扭转减振器;有限单元法;最优经典设计法【作者】邓璘【作者单位】重庆电子工程职业学院,重庆401331【正文语种】中文【中图分类】TH16;U463.4发动机既是整车的动力源，也是整车的振动激励源[1]，而曲轴扭转振动又是整个发动机激励源中最重要的组成部分，其可靠性直接影响发动机及整车的可靠性[2]。
从安全角度看，即使产生共振，也希望共振点在转速范围外；若在转速范围内产生共振，则希望共振振幅较小，此时的应力也较小。
所以有必要对曲轴系统扭转振动特性进行分析和研究，并探讨扭转振幅的削减方法和控制措施[3]。
以某30T工程车辆直列四缸发动机曲轴轴系为研究对象，建立曲轴轴系ANSYS有限单元模型，基于模型分析轴系扭转振动的固有特性及其强迫振动响应；基于最优经典设计方法设计扭振减振器参数；分别基于有、无扭振减振器的曲轴轴系有限元模型进行谐响应分析，探讨不同工况下扭振减振器对曲轴扭转振动的削减效果；为同类发动机曲轴轴系扭转振动特性研究及减振器的设计提供参考方法。
2.1 固有特性分析建立皮带轮轮毂、曲轴、飞轮、活塞连杆机构的曲轴轴系三维实体模型，基于三维模型，建立曲轴轴系的ANSYS有限元模型，如图1所示；获得前两阶固有频率，如表1所示。
(完整word版)扭转减震器设计
1绪论1.1 引言由发动机传到汽车传动系统中的转矩是周期性地不断变化的，因此使传动系统产生扭转振动。
如果这一振动频率和传动系统固有频率相重合，就将发生共振，从而对传动系统中零件的寿命有很大影响。
因此，在不分离离合器的情况下进行紧急制动或者进行猛烈结合离合器时，在瞬间内将对传动系统的零件产生极大地冲击载荷，从而缩短零件的使用寿命。
为此，为了避免共振和缓和传动系统所受的冲击载荷，在汽车离合器中设置了扭转减振器。
扭转减振器主要由弹性元件(减振弹簧或橡胶)和阻尼元件(阻尼片)等组成。
弹性元件的主要作用是降低传动系的首端扭转刚度，从而降低传动系扭转系统的某阶(通常为三阶)固有频率，改变系统的固有振型，使之尽可能避开由发动机转矩主谐量激励引起的共振；阻尼元件的主要作用是有效地耗散振动能量。
1.2扭转减振器的发展随着社会经济的发展，汽车走进了千家万户，人们在享受着汽车带来的便利的同时也对汽车的性能提出了更高的要求。
离合器作为汽车上一个必不可少的部件，除了能通断动力传动以外，还有减振调频的功能，越来越受人们的重视。
汽车传动系中的扭转振动将加大传动系零部件如轴、轴承、齿轮、壳体等的载荷，提高车厢内的噪声水平，降低汽车的行驶舒适性，汽车传动系的振动也是导致整车振动的主要原因。
据统计，我国因运输车辆的振动使包装不妥的产品受损，所造成的经济损失一年达数亿元。
同时由于轿车、客运车市场的发展，对汽车平顺性的要求也越来越高，振动使乘客产生不舒适的感觉，使驾驶者易疲劳降低了安全性，也使汽车零部件因振动而减少寿命，甚至使汽车的燃油经济性变差【1】。
因此，需要分析研究汽离合器在汽车传动系统中的作用，建立传动系的振动模型，找出离合器最优工作状态和最优参数，为改善传动系的扭转振动状况找到一些新思路，为厂家研究开发新型离合器提供理论依据。
现今所用的盘片式离合器的先驱的多片盘式离合器，它是直到1925年以后才出现的。
多片离合器最主要的优点是，在汽车起步时离合器的接合比较平顺，无冲击。
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第37卷第9期振动与冲击JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.37 No.9 2018基于局域共振声子带隙的扭转减振器设计方法吴昱东，李人宪，丁渭平，杨明亮，马逸飞(西南交通大学机械工程学院，成都610031)摘要：通过动态等效转动惯量分析，讨论了扭转减振器的减振频带特性与局域共振声子晶体带隙的相似性。
基于局域共振声子晶体理论提出扭转减振器减振带隙的计算方法，并研究了扭转减振器几何设计参数及材料设计参数对减振带隙的影响规律。
在此基础上，针对某国产MPV车型传动系扭转振动引致的车内轰鸣声问题，运用减振带隙计算方法设计扭转减振器，试制、安装样件并进行整车传动系扭振及车内噪声试验。
结果表明，该扭转减振器可有效抑制传动系扭转振动，降低车内轰鸣声，提升整车声振舒适性。
关键词：局域共振；扭转减振器；声子晶体；带隙；等效转动惯量中图分类号：U463.213 文献标志码：A DOI:10. 13465/j. cn ki.jvs.2018.09.028D e s i j〇n m e t h o d f o r t o r s i o n a l v i b r a t i o n d a m p e r s b a s e d o nl o c a l r e s o n a n c e p h o t o n i c c r y s t a l s b a n d-g a pWUYudong，LI Renxian，DING Weiping，YANGMingliang，MA Yifei(School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China) Abstract#The sim ilarity between vibration reduction frequency band features of torsional vibration dam pers (T V D s)and local resonance photonic crystals band gap ones w as d iscu sse d witli the dynam ic equ an aly sis. A n e w m e t h o d to calcu late TV D s ’ vibration reduction frequency band gap w as proposed b ased on the theory of local resonance photonic crystals. The influences of TV D s ’ geom etric param eters and m aterial ones on their vibration reduction band gap s were studied. A im ing at a certain m ulti-purpose vehicle ( M P V)’ s interior boom ing noise problem cau sed by its powertrain torsional vibration，this method for calcu latin g vibration r eduction frequency ba design a TV D. It w as m anufactured and installed in the M PV. The MPV ’ s powertrain torsional vibration tests and vehicle interior noise tests were conducted. The resu lts showed that this TV D can effectively su p press the MPV ’ s powertrain torsional vibratio n，reduce its interior boom ing noise and im prove the whole vehicle ’ s NVH perform ance.Key words：local reso n an ce; torsional vibration d am p e r；photonic cry stals; b an d-g ap; equivalent moment of inertia动力传动系扭转振动是汽车车内振动与噪声的重要激励源之一，可引起变速器齿轮敲击异响（G ear R attle N oise) [1+、车内轰鸣声（Boom ing N o ise) *2+等噪声问题，降低汽车乘坐舒适性，严重时，甚至会引发传动轴系断裂、变速器损坏，威胁车内乘员安全[3]。
自汽车产生以来，人们就在不断探索各种控制传动系扭转振动的方法，安装橡胶扭转减振器就是其中常用的一种。
由于对单一扭转振动峰值衰减效果较好，结构简单、成本较低，橡胶扭转减振器被广泛用于汽车发动机曲轴及传动系扭转减振[4]。
基金项目：四川省教育厅重点项目-自然科学（16ZA0010);中央高校基本科研业务费理工科类创新项目（2682016CX032)收稿日期：2016-11-21修改稿收到日期：2017 -03 -07第一作者吴昱东男，博士生,1989年生通信作者丁渭平男，博士，教授,1968年生目前，在扭转减振器减振特性设计研究中，对固有频率特性研究较多[5自]，而对减振频带范围的研究较少，因此工程应用中，涉及扭转减振器减振频率范围设计时，往往根据经验来确定。
近年来，声学超材料以其可通过亚波长尺寸结构实现对低频机械波有效控制的特性，吸引了大量物理学、材料学等学科的研究学者[7自0]，局域共振型声子晶体作为声学超材料中的一员，其带隙及波导理论也逐渐清晰[11自5]。
由于局域共振声子晶体与扭转减振器均是通过共振单元谐振将振动能量局域化，阻隔其传播，两者具有相似的减振机理，因此局域共振声子晶体带隙理论研究的不断深入也为扭转减振器的设计方法提供的新的思路。
本文尝试基于局域共振声子晶体带隙理论，研究扭转器的频带性，据提扭转器振带隙的设计计算方法，并将该方法应用于汽车动力第'期吴昱东等#基于局域共振声子带隙的扭转减振器设计方法181传动系扭振实际工程问题。
式中#2为整体结构的等效转动惯量。
令该扭转减振1扭转减振器减振带隙机理!1扭转减振器带隙机理分析如图1所示为扭转减振器结构示意图，扭转减振器从内到外一般由扭转减振器所安装轴系、橡胶圈和外圈三部分组成。
根据其结构可建立图"所示扭转减振器当量简化模型，当频率为#的扭转振动波传递至扭转减振器所安装轴系（即基体）时，根据牛顿第二定律，分别对基体及扭转减振器外圈（即振子）建立平衡方程如式（1)及式(2)所示。
T-r:(i#)2I Q! (1)1: (i#)21$*(2)式中:r为入射扭转波对基体的作用转矩;r为振子对基体的反作用力矩;I为基体转动惯量;I为振子转动惯量;！及*分别为基体和振子的角位移。
Fig. 2 Lumped parameter model of torsional vibration damper 对于扭转减振器振子，根据胡克定律有-T：S1 (*-!)(3)式中#S为扭转减振器橡胶圈的扭转刚度。
将式(2)及式(3)代入式（1)中，可得T=( 1#) 2t I〇+l S-#2)!⑷若将基体、振子及橡胶圈看成一个具有等效转动惯量的整体结构，式(4)可以表示为T:(i#)2I eff!(5)器的固有频率#。
=槡2,则等效转动惯量为I#2I⑴0对于该整体结构，其角位移频率响应函数为! 1(#)：~r2#(6)())则该系统的等效转动惯量及角位移频响函数随入射扭转波频率的变化曲线如图3所示。
图3等效转动惯量及角位移频响函数随频率变化关系Fig. 3 Equivalent rotational inertia and frequency response function of angular displacement change with frequency图3 中，当#<#〇或#>#◦槡i〇+I)/〇〇时，2> 0，系统动态等效惯量为正；当#〇<#<#0i 槡i〇+I)//〇时，2 <0,称为负惯量；当# = #0时，2—s，振子发生局域共振，此时基体的振动被局域共振振子的反作用力完全抵消，系统对该频率的外部激励不产生响应'当#=#0槡I+I J/O时，2=0,称为零等效转动惯量，此时系统整体发生共振。
若将该扭转减振器视为一局域共振声子晶体晶胞，贝彳动态等效转动惯量较大的频率区域对应局域共振带隙产生的频率范围，而系统在零等效惯量点发生共振，意味着带隙的结束;实际中，振动衰减到一定程度即可认为是带隙，所以带隙的截止频率低于零等效惯量点对应的频率。
从图3可看出，在该带隙范围内，角位移频响函数较小，振动衰减明显，因此扭转减振器减振频带特性与基于声子晶体理论的扭转减振器（晶胞）带隙是一致的，增大零等效惯量点与局域共振点之间的距离，将会使带隙的宽度增加。
!2扭转减振器带隙计算方法由于局域共振声子晶体带隙可以表达扭转减振器减振频带特性，因此可基于声子晶体理论，计算扭转减振器的减振带隙。
对于图1所示橡胶扭转减振器结构(局域共振声子晶体晶胞），在扭转波激励下，该晶胞绕轴线％扭转振动，波动方程为* 16+p0 J p_d_d x(%)182振动与冲击2018年第37卷硫化橡胶，径u为40 m m ，轴向长度6为30m m ;料为钢， 径U 为&〇m m ，轴6为30 m m ，则根据（17)计算获得扭转 器能带结如图4所示。
可以看出，该扭转器50〜120H z 内形成减振带隙，抑制扭转振动的传播。
200,-------------------------------------------n-------------------------------------------彼矢图4能带结构图Fig. 4 Band structure2设计参数对扭转减振器带隙影响2.1几何参数对扭转减振器带隙影响于上述简易橡胶扭转器而言，其几何设计参数主要包括基体半径U ，轴向长度（;橡胶径U ，轴6;径u ，轴 6。
基于图4所示扭转 器，几何参数对扭转 器带隙的灵敏 ，结果如图5所示。
图5可以看出，随基体半径的，扭转器 带隙下，而上 化 ，带隙；橡胶径 ，带隙下，上 ，带隙;径 ， 带 隙 上 下， 下 ， 带 隙 ; 基体轴，带隙下 ，而上 ，带隙'当橡胶 轴 ， 带 隙 上 下， 带 隙; 轴， 带 隙 上 下，下 更大，因带隙。