梯度压电超材料梁的弯曲波调控机制及振动衰减与能量收集双重功能研究

《Materials》：Research on Bending Wave Regulation Mechanism and Integrated Vibration Attenuation and Energy Harvesting Characteristics of Graded Piezoelectric Metamaterial Beams

　　本文以梯度压电超材料梁为研究对象，深入分析其弯曲波调控机制及兼具振动衰减与能量收集的双重功能。首先，建立梯度压电超材料梁的理论模型，探究不同梯度方案对每个单元内各分段结构参数的控制作用。其次，采用传递矩阵法计算能带结构，从而阐明不同梯度构型下弯曲波的传播特性及其潜在的能量收集机制。随后，提出针对振动衰减与能量收集双重功能的定量评价指标，揭示梯度次序对频带展宽及整体性能指标的影响规律。最后，通过有限元仿真对理论结果进行验证。研究表明，梯度压电超材料梁能够诱发弯曲波的空间频率分割效应，并实现波场能量的局域化集中。与非梯度结构相比，梯度构型能够在低频宽带范围内同时实现振动衰减与能量收集。其中，分数阶与一阶梯度设计对整体双重功能性能的增强效果最为显著。