用于多旋翼无人机振动抑制与压电能量收集的声学黑洞梁基座研究

《Micromachines》：An Acoustic Black Hole Beam Base for Vibration Suppression and Piezoelectric Energy Harvesting in Micro-to-Small-Scale Multirotor UAVs

　　本研究提出了一种用于微型至小型多旋翼无人机（UAV）振动抑制与压电能量收集的声学黑洞（ABH）梁基座。长期目标在于减少传递至安装在无人机基座上的电池模块及支撑组件的振动；然而，本研究着重评估无人机基座结构本身的振动响应。将传统均匀梁基座替换为厚度渐变的ABH梁，以引导振动能量并使其局部化至渐变区域，在此处能量可通过压电贴片耗散或转换为电输出。通过理论建模、ANSYS仿真及实验验证，对均匀梁基座与ABH梁基座的动态响应进行了比较。建立了非线性均匀梁模型、ABH梁模型及压电耦合方程，并采用数值方法求解。进一步开展ANSYS模态及受迫振动仿真，以验证理论预测。仿真结果表明，ABH梁基座将均方根位移从0.00908 m降至0.00625 m，对应减少31.17%。实验激振台测试也证实了振动抑制趋势，均方根位移从均匀梁基座的0.00801 m降至ABH梁基座的0.00601 m，对应减少24.97%。此外，评估了带有压电贴片的ABH梁的电压产生性能，理论电压输出与仿真结果吻合良好。这些结果表明，所提出的ABH梁基座可作为轻量化多功能结构，用于无人机基座的振动缓解及基于振动的能量收集。