CN105931628A - 一种具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴 - Google Patents

一种具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴 Download PDF

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Abstract

一种具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴，包括轴基体，在轴基体外沿其轴向设置有若干段周期性分布的橡胶层，在橡胶层外有散射体，每一段橡胶层由多个离散的圆弧橡胶段组成，本发明声子晶体轴具有比传统声子晶体轴更低的带隙特性，并且对于三种弹性波都有可控制的带隙范围；其带隙还可通过调整橡胶弧段的角度和数量进行调节；并且，当橡胶弧段的数目保持不变而每个橡胶弧段的角度减小时，第一完全带隙趋于消失的状态；本发明声子晶体轴在精密机械工程上有潜在的应用，可以对传动轴的低频振动进行控制。

Description

一种具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，特别涉及一种具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴。
背景技术
声子晶体是一种新型的人工结构功能材料，通过设计可以人为调控弹性波的传输，落在带隙频率内弹性波的禁止传播。声子晶体已经广泛地应用于隔离噪声和振动，机械滤波器和导波管中。
目前，声子晶体存在两种截然不同的禁带机制，即布拉格带隙机制和和局域共振型机制。布拉格带隙机理中声子晶体晶格常数与基体材料的禁带波长同数量级，这就限制了声子晶体晶格尺寸。2000年香港科技大学刘正猷提出局域共振型机制，他研究的一种三维三组元声子晶体结构(包裹橡胶的铅球周期性地插入到环氧树脂中)，晶格常数比基体材料中的禁带波长小两个数量级，成功地实现了小尺寸材料控制大波长声传播的目标。随后，局域共振机理的研究成为一个热点。Goffaux等人发现在包裹橡胶的铅柱周期性地插入到环氧树脂中的二维结构中存在狭窄的带隙。随后王刚把橡胶柱体插入到环氧树脂中由于橡胶本身的密度和弹性也得到了带隙。近年，一些学者对弹性波在周期粘附局域共振子的一维声子晶体结构中的传播特性进行了研究，并得到了期望的低频带隙。
在工程机械中，特别是精密仪器中，轴的弹性振动是一个非常典型的问题，会减少轴的使用寿命和影响机器的精度及可靠运行。并且，带隙相对较高(200—1000HZ)，必须附加重量比较大的局域共振结构才能得到低频带隙，增加了工程应用的困难，且只能隔离扭转振动，同时调节方式非常单一。但是在精密机械中，通常仅允许轴附加轻质的结构，并且轴的振动通常是三种弹性振动(完曲振动，扭转振动、纵向振动)的耦合；而且，轴的振动频率通常随着转速的变化呈现多样化，亟需更丰富的调节方式。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴，调节方式灵活，具有优异的低频振动(包含弯曲波、扭转波、纵波)带隙特性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴，包括轴基体1，在轴基体1外沿其轴向设置有若干段周期性分布的橡胶层2，在橡胶层2外有散射体3，每一段橡胶层2由多个离散的圆弧橡胶段组成。每一段橡胶层2对应着一个晶格，橡胶层2为圆柱管结构(带离散间隙)，每一段橡胶层2均包覆在轴基体1上。
所述组成一段橡胶层2的各个圆弧橡胶段的角度相等或不等。
所述组成一段橡胶层2的各个圆弧橡胶段对称分布或非对称分布。
保持组成一段橡胶层2的圆弧橡胶段的数量不变，减小各圆弧橡胶段的角度，以使声子晶体轴的第一完全带隙趋于消失。
本发明优选方案：所述轴基体1的截面半径为0.005m，橡胶层2的厚度为0.003m，散射体3的厚度为0.002m，每一段橡胶层2的长度为0.025m，相邻两段橡胶层2之间的距离为0.05m。
本发明优选方案：所述每一段橡胶层2由三个圆弧橡胶段组成，均匀分布，每个圆弧橡胶段的中心角均为60°。
本发明优选方案：所述每一段橡胶层2由三个中心角分别为30°、60°和90°的圆弧橡胶段组成，相邻圆弧橡胶段的间距相等。
本发明优选方案：所述每一段橡胶层2由三个圆弧橡胶段组成，均匀分布，每个圆弧橡胶段的中心角均为10°。
与现有技术相比，本发明声子晶体轴具有比传统声子晶体轴更低的带隙特性，并且对于三种弹性波都有可控制的带隙范围；其带隙还可通过调整橡胶弧段的角度和数量进行调节。并且，当橡胶弧段的数目保持不变而每个橡胶弧段的角度减小时，第一完全带隙趋于消失的状态。本发明声子晶体轴在精密机械工程上有潜在的应用，可以对传动轴的低频振动进行控制。
附图说明
图1是本发明结构示意图(横截面)。
图2是本发明结构示意图(纵截面)。
图3是本发明具有离散橡胶层的声子晶体轴的实波矢，横坐标表示实波矢。
图4是传统的具有连续橡胶层的声子晶体轴的实波矢。具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1和图2所示，本发明一种具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴，包括轴基体1，在轴基体1外沿其轴向设置有若干段相互离散的橡胶层2，在橡胶层2外有散射体3。每一段橡胶层2由n(n≥2)个离散的圆弧橡胶段组成，各个圆弧橡胶段的中心角分别为α1、α2、α3、…...αn，可以全部相等，也可分别不等。相应地，相邻圆弧橡胶段之间的距离依次为β1、β2、β3、…...βn，可以全部相等，也可分别不等，由此形成对称分布或非对称分布的结构。
本发明中，轴基体1为环氧树脂，散射体3为铅，具体的材料参数如表1所示。尺寸参数：轴基体1的截面半径r1＝0.005m，(轴基体1+橡胶层2)的截面半径r2＝0.008m，(轴基体1+橡胶层2+散射体3)的截面半径r3＝0.010m，单段橡胶层2的长度a1＝0.025m，(单段橡胶层2+相邻橡胶层2之间间隙)的长度a＝0.075m。
表1材料参数
材料 密度ρ/kg/m3 剪切模量μ/Pa 泊松比
环氧树脂 1180 1.59×109 0.37
橡胶 1300 3.4×105 0.47
铅 11600 1.49×1010 0.37
以下是本发明的三个具体实施例，给出了组成橡胶层2的圆弧橡胶段的数量、分布形式等具体的参数选择。
实施例1
n＝3，α1＝α2＝α3＝β1＝β2＝β3＝60°，在0—1500HZ的范围内，有两个完全带隙，如图3所示。第一完全带隙：308.7—309.4Hz，第二完全带隙325.7—487.6Hz。弯曲波带隙：321Hz—1018Hz，扭转波带隙142Hz—763Hz，纵波带隙206Hz—488Hz。
图4是传统的声子晶体轴的能带图，可以看出，在0—1500Hz有两个完全带隙，第一完全带隙357.6—442kHz.第二完全带隙484.5—672.8Hz.弯曲波带隙357.5—442Hz和484—1438Hz，扭转波带隙197to1018Hz纵波带隙270—680Hz。
实施例2
n＝3，α1＝30°，α2＝60°，α3＝90°，β1＝β2＝β3＝60°，在0—1500HZ的范围内，有两个完全带隙。第一完全带隙：330—350Hz,第二完全带隙369—502Hz。弯曲波带隙：330Hz—350Hz，369—870Hz,扭转波带隙142Hz—754Hz，纵波带隙209Hz—502Hz。
实施例3
n＝3，α1＝α2＝α3＝10°，β1＝β2＝β3＝110°，其弯曲波，最低带隙是从128.6至319HZ，纵波最低能带隙是从84—201HZ，三种弹性波带隙最低。扭转波的最低能带隙是从44到245HZ。对于完全带隙来说最低是从128.6到201HZ。
可见，采用本发明的结构，可以使得：
1、带隙下降
离散橡胶层的引入，使新结构的第完全一带隙下降且宽度减小至基本消失状态，第二带隙下降。橡胶层的离散化对于弯曲波的影响较大，使弯曲波的第一带隙消失，第二带隙下移；而扭转波、纵波的带隙均呈下降趋势，且色散曲线的形状大致不变。
2、应用离散橡胶弧段的度数和数量对带隙进行调节。
当离散橡胶层的段数确定，角度减小时，三类弹性波的带隙均呈下移的状态，，并且第一完全带隙消失。当每个橡胶弧段的角度固定而数目增加，带隙呈线性下降。当离散橡胶层的总度数为固定时，则新声子晶体结构轴的纵向带隙几乎保持不变，而扭转波带隙和横波带隙随着弧度数量的减少而下降。
因此，本发明声子晶体轴可以应用于精密加工机械及智能仪器，在精密加工机械及智能仪器中，轴的振动会影响其加工和测量的精度。

Claims (9)

1.一种具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴，包括轴基体(1)，在轴基体(1)外沿其轴向设置有若干段周期性分布的橡胶层(2)，在橡胶层(2)外有散射体(3)，其特征在于，每一段橡胶层(2)由多个离散的圆弧橡胶段组成。
2.根据权利要求1所述具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴，其特征在于，所述组成一段橡胶层(2)的各个圆弧橡胶段的角度相等或不等。
3.根据权利要求1或2所述具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴，其特征在于，所述组成一段橡胶层(2)的各个圆弧橡胶段对称分布或非对称分布。
4.根据权利要求1所述具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴，其特征在于，保持组成一段橡胶层(2)的圆弧橡胶段的数量不变，减小各圆弧橡胶段的角度，以使声子晶体轴的第一完全带隙趋于消失。
5.根据权利要求1所述具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴，其特征在于，所述轴基体(1)为环氧树脂，散射体(3)为铅。
6.根据权利要求1所述具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴，其特征在于，所述轴基体(1)的截面半径为0.005m，橡胶层(2)的厚度为0.003m，散射体(3)的厚度为0.002m，每一段橡胶层(2)的长度为0.025m，相邻两段橡胶层(2)之间的距离为0.05m。
7.根据权利要求1所述具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴，其特征在于，所述每一段橡胶层(2)由三个圆弧橡胶段组成，均匀分布，每个圆弧橡胶段的中心角均为60°。
8.根据权利要求1所述具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴，其特征在于，所述每一段橡胶层(2)由三个中心角分别为30°、60°和90°的圆弧橡胶段组成，相邻圆弧橡胶段的间距相等。
9.根据权利要求1所述具有低频减振特性的离散化橡胶层的声子晶体轴，其特征在于，所述每一段橡胶层(2)由三个圆弧橡胶段组成，均匀分布，每个圆弧橡胶段的中心角均为10°。
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