圆柱壳是各种农业机械、轮船、火箭和精密仪器的基本结构单元,被广泛应用于农业工程、航空航天、国防等领域,然而其振动噪声问题不容忽视。力学超材料是一类由人工结构单元周期有序排列构成的结构,拥有与常规力学性质相悖的属性。而声子晶体作为力学超材料的一种,其显著特征是弹性波的频散关系将呈现分离的能带形式从而形成带隙,并能够根据隔振目标的频率范围对带隙范围进行有效地调控,能实现较好的隔振效果,在隔振领域的应用前景广泛。另外,隔振频率的宽度决定了力学超材料的应用范围和有效性,因而具有宽频带隙的力学超材料在工程应用中能得到更广泛的应用。因此,开展圆柱壳力学超材料(声子晶体)带隙特性及带隙拓宽方法研究,对圆柱壳力学超材料在隔振领域的应用具有重要指导意义。本文研究了三种圆柱壳力学超材料的带隙特性,并提出了两种方法来拓宽力学超材料的纵波、弯曲波带隙,最后以管状零件为例,研究了圆柱壳力学超材料在工程中的实际应用。论文取得的主要成果和结论如下:1.研究了二组元、三组元、微结构圆柱壳力学超材料对纵波和弯曲波的传播控制。首先通过坐标变换将圆柱壳圆周向方向的有限周期转换为了无限周期条件,推导了圆柱壳的动力学方程和Bloch周期条件,从而建立了圆柱壳力学超材料的有限元数值模型。然后通过建立的有限元数值模型,研究了三种圆柱壳力学超材料的振动带隙特性;与此同时,运用有限元仿真分析了圆柱壳力学超材料有限周期结构的振动传输特性,验证了带隙准确性,证明了圆柱壳力学超材料有限周期结构也具有良好的减振特性;接着,对比了带隙外和带隙内频率的位移场分布情况,进一步揭示了圆柱壳力学超材料的隔振机理。最后调整圆柱壳力学超材料的几何参数和材料参数,并计算其能带结构图和传输特性;结果表明:圆柱壳力学超材料的几何和材料参数会改变三组元和微结构圆柱壳力学超材料的带隙范围,从而使其能满足实际工程需要。2.为满足工程中对宽频带隙结构的需求,本文提出了一种利用有限周期结构按一定方向拼接的方法以拓宽圆柱壳力学超材料的带隙范围。将拼接方法运用于三组元结构中分析其振动传输特性,并通过将微结构圆柱壳力学超材料进行轴向和周向向拼接,分别计算了其振动传输特性曲线。结果表明,拼接方法能够实现圆柱壳力学超材料的宽频特性,并且无论是轴向还是周向都能拓宽带隙。本文还建立了含有多级谐振器周期阵列的圆柱壳理论模型,利用扩展的哈密顿原理推导出理论模型的控制方程,然后通过平面波展开法(plane wave expansion,PWE)计算了具有单一吸振器,多级谐振器以及周向和轴向都具有多级谐振器的能带结构图,得到了多级谐振周期排列的方式来拓宽弯曲波带隙宽度的规律。最后,对具有多级谐振器的圆柱壳真实模型的能带结构和有限周期结构的振动传输进行了数值分析,其研究结果与理论模型研究预测的带隙特性吻合较好。3.基于圆柱壳力学超材料研究,开发了一种圆柱壳力学超材料轴管类隔振器。通过有限元仿真研究了三组元隔振器的传输特性,确定了隔振器的隔振效果。然后将其作为挠性接管应用到管道中展开传输特性研究,结果表明隔振器能够有效地控制管道中的纵向振动波。利用拼接方法研究开发了三组元宽频隔振器,拓宽了隔振器的纵波带隙范围。针对管道中弯曲波的调控,研究开发了微结构圆柱形隔振器并通过有限元仿真和试验验证了带隙的存在。提出了将微结构隔振器作为管套应用于管道中的方式,通过有限元仿真分析了隔振器作为管套对弯曲波的抑制效果,研究表明了隔振器以轴套的形式也能对管道中特定频率的弯曲波进行抑制,从而控制弯曲振动。总之,本文重点研究了圆柱壳力学超材料中弹性波的传播特性及带隙拓宽理论,为圆柱壳结构的隔振降噪技术提供了理论支持,并为轴管类零件的振动问题提供了一种新颖解决方法。