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研究生: 林丞彥
Lin, Cheng-Yan
論文名稱: 局部共振樑之撓曲行為
Flexural Motion of a Locally Resonant Beam
指導教授: 陳蓉珊
Chen, Jung-San
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年: 2019
畢業學年度: 107
語文別: 中文
論文頁數: 56
中文關鍵詞: 超穎材料帶隙壓電
外文關鍵詞: metamaterial, bandgap, piezoelectric material
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  • 超穎材料為一種具有獨特性質的人造材料,是藉由週期性的局部結構排列而成,並透過設計局部結構的幾何形狀或尺寸來改變其振動傳遞特性,而創造出非傳統之物理現象,如負質量、負泊松比以及負剛度效應。超穎材料的概念一開始被應用在電磁波,後來逐漸發展到聲波以及彈性波領域,使得噪音和振動可以更有選擇性地傳遞或隔絕在目標頻率範圍內。
    本研究提出的超穎結構模型,是由每個單元主結構樑的兩側各別接上局部懸臂樑。首先研究彈性波在有限長的主樑中減振效果,利用有限元素軟體COMSOL分析主結構的頻率響應,並且藉由振動實驗比較減振區的位置及範圍,驗證所提出的超穎結構振動衰減性能。為了確認局部共振帶隙(或稱能隙)的機制,擾動頻率與局部共振器的共振頻率匹配時,諧波沿著主結構的波傳方向其振幅會出現顯著的衰減。可以得出局部共振器可以抑制主結構的撓曲運動結論。後來通過改變局部共振器末端的質量塊厚度或不同質量組成的雙共振器結構可以輕易地調控減振區位置。在本篇後來還提出了一種同時減振和擷能的模型,係將PVDF壓電片貼在局部共振器上,利用壓電的正壓電效應將形變能進一步轉換成電能為其他裝置供電。經過壓電實驗和振動響應的模擬比對,其最大電壓輸出之位置與振動頻率響應的波谷位置一致。

    關鍵字:超穎材料、帶隙、壓電。

    In this thesis, the locally resonant beam consists of nine cantilever-type resonators. Each local resonator is modeled by a pair of cantilevers with tip masses. The finite element (FE) software COMSOL is used to analyze the frequency response of the beam structure. The vibration experiment is used to verify the position and range of the attenuation zone predicted by FE method. When the excitation force frequency is close to the resonant frequency of the resonator, the bending wave amplitude shows exponential attenuation. It can be concluded that the local resonator can suppress the flexural motion of the host structure. The attenuation region can be easily adjusted by the magnitude of the tip mass. The proposed model can not only reduce vibration but also energy harvesting. The PVDF piezoelectric film is attached to the local resonator, and the harvested electric energy might be used to supply other devices.

    Keywords: metamaterial, bandgap, piezoelectric material.

    中文摘要 I Extend Abstract II 誌謝 VII 目錄 VII 表目錄 X 圖目錄 XI 符號 XIV 第一章 導論 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻回顧 1 1.3 章節介紹 5 第二章 超穎結構樑有限元模擬分析 6 2.1 單諧振器模型幾何與材料參數 6 2.2 收斂分析 8 2.3 單諧振器之穩態分析 10 2.3.1 頻率域模態推導[15, 16] 10 2.3.2 有限模擬邊界條件及研究設定 12 2.3.3 穩態分析結果 13 2.4 單諧振器之暫態分析 19 2.4.1 彎曲波的衰減機制理論[5, 6] 19 2.4.2 有限模擬邊界條件及研究設定 20 2.4.3 暫態分析結果 21 2.5 雙諧振器超穎結構模型 26 2.5.1 雙諧振器模型設計 26 2.5.2 雙諧振器之穩態分析 27 2.5.3 雙諧振器之暫態分析 27 第三章 超穎結構樑實驗驗證 29 3.1 樣本建構 29 3.2 儀器設備 30 3.3 實驗流程 37 3.4 實驗結果 37 3.4.1 穩態分析 37 3.4.2 暫態分析 39 第四章 超穎結構樑擷能實驗 44 4.1 壓電原理[17] 44 4.2 壓電架構 45 4.3 壓電測量結果 48 第五章 結論 50 參考文獻 52 附錄一 352C23 ICP加速規 54 附錄二 LDT0-028K/L PVDF壓電片 55

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