图 文 导 读

图1 Graphical abstract

该文亮点：

1.设计了一种用于系绳被动振动控制的蛛网弹性超材料，并基于绝对节点坐标法建立了原胞有限元模型；

2.提出一种基于绝对节点坐标法的能带结构计算方法；

3.分析了蛛网超材料的带隙产生机理，并研究了几何参数对能带结构的影响。

Highlights:

1. A spider-web elastic metamaterial for passive vibration control of tethered system is designed, and the finite element model of the unit cell is established based on the absolute nodal coordinate formulation.

2. A calculation method of band structure based on the absolute nodal coordinate formulation is proposed.

3. The bandgap mechanism of the spider-web metamaterial is analyzed, and the influence of the geometric parameters of the spider-web metamaterial on the band structure is studied.

空间系绳具有大柔性，受到冲击后产生长时间的振荡。过去对系绳振动的抑制主要采用在系绳端部施加位移激励等主动控制的方法。与主动振动控制相比，基于被动吸振原理，通过对空间系绳这类细长结构进行结构动力学设计，不仅是一种新的振动抑制的方法，而且对于诸如空间细长结构的振动控制亦具有参考价值。

       南京航空航天大学金栋平教授团队在《国际机械系统动力学学报（英文）》(International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD)发表“基于弹性超材料的空间柔性系绳波动控制”的研究论文。该文设计了一种蛛网弹性超材料来对空间系绳系统进行被动振动控制，并基于绝对节点坐标法（Absolute Nodal Coordinate Formulation, ANCF）建立其原胞的有限元模型。该文提出了一种基于ANCF的能带结构计算方法，计算了蛛网超材料的带隙，对带隙的形成机理进行了分析和讨论。数值计算结果表明，带隙的产生是由蛛网超材料与系绳的耦合振动以及谐振元件的内部共振引起的。此外，通过改变减振结构的几何参数，可以调节带隙的范围。最后搭建了实验平台，对有限周期单元的振动传递特性进行了实验测试。实验结果表明，带隙产生机理与仿真分析结果吻合较好，但频率范围存在一定偏差。

Abstract：This study proposes a spider-web elastic metamaterial to suppress vibrations in space slender structures, such as flexible space tethers. The metamaterial consists of unit cells that are periodically distributed on the space tether to obtain band gaps. The finite element model of the unit cell is established by employing the absolute nodal coordinate formulation (ANCF) due to the large deformation of the structure. The eigenfrequencies and corresponding vibration modes of the unit cell are obtained by ANCF. Moreover, the band gap of the unit cell is calculated based on the phonon crystal theory. The relationship between the vibration modes and the band gaps is analyzed. Finally, an experiment is conducted to verify the vibration transmission characteristics of finite period cells. The results show the effectiveness of the spider-web elastic metamaterial for vibration suppression of a flexible tether. This study provides insights into the use of elastic metamaterials for vibration isolation in space tether systems.

Keywords:

space tether, wave control, elastic metamaterial, absolute nodal coordinate formulation (ANCF), vibration suppression

DOI: 10.1002/msd2.12067

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‍https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/msd2.12067‍（点击链接直达原文）

Cite this article: Huang Y, Chen E, Sun J, Jin D. Wave control of a flexible space tether based on elastic metamaterials. Int J Mech Syst Dyn. 2023; 3(1):58‐72. doi:10.1002/msd2.12067

作 者 简 介

黄业雄    南京航空航天大学大学航空学院博士研究生，研究方向为航天器动力学与控制。

陈恩民    南京航空航天大学航空学院硕士，研究方向为航天器动力学与控制。

孙加亮    南京航空航天大学航空学院副教授，主要从事多柔体系统动力学、可展开空间结构动力学建模与优化设计等研究，在动力学拓扑优化等方面发表论文20余篇，获中国力学学会优秀博士学位论文奖，入选第八届中国科协青年人才托举工程项目。

金栋平    南京航空航天大学航空学院教授，曾任University College London英国皇家学会研究员，兼任中国振动工程学会理事、全国非线性振动专业委员会副主任委员。在科学出版社出版专著2部，发表期刊论文174篇。获国家自然科学奖1项、国家科技进步奖1项。