CN108053819A - 减振结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种减振结构，其整体形状由单元晶胞周期性排列而成，其中单元晶胞包括连接体和连接件，连接件由6条连接臂的一端共同固定在固定件上组成，连接臂的另一端连接有连接体；单元晶胞紧密接触排布，任意两个相邻的单元晶胞之间通过连接体固定连接，相连接的两个连接体连接组成一个中心体。在减振结构受力时，连接件的连接臂发生微小弹性形变。本发明设计的减振结构为一种具有隔振特性的局域共振型声学超结构，该减振结构可以将隔振频段有效范围降低至几赫兹。该减振结构还具有隔振频带宽、质量轻、易加工等优势，在航空航天、电子装备、机械工程等领域具有广泛应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及减振技术领域，尤其涉及一种减振结构。
背景技术
振动是一种普遍存在的物理现象，由振动或冲击产生的共振、疲劳破坏等危害到国民经济的各个领域。与此同时，由机械振动产生的噪声会大大降低人们的生活质量，危害人们的身心健康。工程实际中存在大量的振动问题需要解决，这推动着减振技术不断向前发展，但是传统材料在实际工程应用中的有诸多限制，如传统材料体积较大限制了其在具有空间限制的场所使用。
发明内容
声子晶体用于控制振动波，这一领域的形成起源于面向电磁波控制的光子晶体概念。这两个概念都建立在同一个基本出发点上，即由散射体周期分布而成的结构物能够显著影响到经典波的传播，例如声波/弹性波或电磁波。可以说，光子晶体和声子晶体这两个名称均来源于与振动波（声子）和电磁波（光子）的相关粒子描述。
声子晶体和声学超结构一般采用的是经过专门设计的复合结构形式，可以通过布拉格散射或局域共振机理来调控弹性波的能带结构，从而获得一系列谱空间，波矢空间和相空间中的特殊性质。弹性波在声子晶体中传播时，受其内部结构的作用，在一定频率范围（禁带）内被阻止传播，而在其他频率范围（通带）可以无损耗地传播。在局域共振结构中，当基体中传播的弹性波的频率接近共振单元的共振频率时，共振结构单元将与弹性波发生强烈的耦合作用，使其不能继续向前传播，从而导致了禁带的产生。
为解决现有减振结构针对低频振动减振时体积大的技术问题，本发明提供一种减振结构，该减振结构可以有效地克服现有技术中存在的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种减振结构，所述减振结构由单元晶胞周期性地排列而成，所述单元晶胞包括连接体和连接件，所述连接件为具有弹性的部件，所述连接件具有6条连接臂，所述6条连接臂的一端共同固定在固定件上，6条连接臂两两共线地分为三组，三组连接臂之间相互垂直，所述连接臂的另一端连接有一个连接体；在所述减振单元中的单元晶胞紧密接触排布，任意两个相邻的单元晶胞之间通过连接体固定连接，相连接的两个连接体连接组成一个中心体。
进一步地，所述单元晶胞沿单个方向周期排列，使减震结构呈现为梁状。
进一步地，所述单元晶胞同时沿相互垂直的两个方向周期排列，使减震结构呈现为板状。
进一步地，所述单元晶胞同时沿相互垂直的三个方向周期排列，使减震结构呈现为体状。
进一步地，所述中心体为球体，长方体，正方体，椎体。
进一步地，所述固定件为球体或者正方体。
进一步地，所述连接臂为直线型、锯齿状、波浪形、矩形波型或螺旋形。
进一步地，所述连接臂的截面形状为矩形、圆形、椭圆形、圆环形或三角形。
进一步地，所述连接臂或连接体为橡胶、尼龙、树脂、塑料、金属中的一种或几种材料制成。
进一步地，所述减振结构使用3D打印、装配加工或复模浇注的方法加工成型。
本发明提供了一种减振结构，该减振结构是一种具有隔振特性的局域共振型声学超结构。在该减振结构受力时，连接件的连接臂发生微小弹性形变，可以将隔振频段有效范围降低至几赫兹。该减振结构还具有隔振频带宽、质量轻、易加工等优势，在航空航天、电子装备、机械工程等领域具有广泛应用价值。
附图说明
图1是本发明一个实施例中减振结构的结构示意图；
图2是本发明的减振结构中的单个单元晶胞的俯视视角的结构示意图；
图3是本发明的减振结构中的单个单元晶胞的立体结构示意图；
图4是当连接臂为直线型时连接件的结构示意图；
图5是锯齿状的连接臂的局部示意图；
图6是矩形波型的连接臂的局部示意图；
图7是螺旋形的连接臂的局部示意图；
图8是波浪形的连接臂的局部示意图；
其中，图中的件号表示为：
1.连接件；2.中心体；3.固定件；11.连接臂；21.连接体；L.单元晶胞的边长。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-4所示，减振结构由单元晶胞周期性地排列而成，每个单元晶胞包括6个连接体21和1个连接件1，具体地，连接件1为具有弹性的部件，在受力时可发生弹性形变。每个连接件1具有6条连接臂11，6条连接臂11的一端共同固定在固定件3上，6条连接臂11两两共线地分为三组，三组连接臂11之间相互垂直，每条连接臂11的另一端各自连接有一个连接体21。减振单元中的单元晶胞沿连接臂11的延伸方向紧密接触排布，任意两个相邻的单元晶胞之间通过连接体21固定连接，相连接的两个连接体21连接组成一个中心体2。
本发明提供的减振结构是一种具有隔振特性的局域共振型声学超结构。当减振结构中传播的弹性波的频率接近单元晶胞的共振频率时，单元晶胞将与弹性波发生强烈的耦合作用，使其不能继续向前传播，从而导致了禁带的产生。当弹性波在减振结构中传播时，受减振结构内部结构的作用，在一定频率范围（禁带）内被阻止传播，而在其他频率范围（通带）可以无损耗地传播。
减振结构的禁带位置由单元晶胞2的结构决定，禁带宽度与单元晶胞2的占空比有关（占空比越大，禁带越宽）。但是要想达到减振效果必须将单元晶胞2周期性排列。这样，弹性波传递过来会产生局部共振现象，从而产生通带和禁带。
单元晶胞2的周期排列方式有多种，如：
单元晶胞2沿单个方向周期排列，使减震结构呈现为梁状。
单元晶胞2同时沿相互垂直的两个方向周期排列，使减震结构呈现为板状。
单元晶胞2同时沿相互垂直的三个方向周期排列，使减震结构呈现为体状。
这三种排列方式的选择，主要取决于应用需求。而且不同排列方式形成的减振结构，其隔振禁带范围也会有差别。
连接件1中的连接臂11为具有弹性的部件，当振动结构受力使时，连接臂11会发生弹性形变。
连接件1中的固定件3的形状和大小会影响单元晶胞2的占空比，优选球体和正方体。
如图4所示，是当连接臂11为直线型时连接件1的结构示意图，如图所示，6条连接臂11的一端共同固定在球形固定件3上。除图4所示的连接方式外，还可使连接臂11的一端直接相互连接，此时连接臂11相互连接的部分也可视为固定件3。
如图5-8所示，连接臂11还可以为其他多种形状，如锯齿状、矩形波型、螺旋形或波浪形。将连接臂11设计成锯齿状、波浪形、矩形波型或螺旋形等等形状的目的主要在于增长连接臂11的展开长度。连接臂11的直线长度和展开长度都可以根据应用范围调整，直线长度最低可以为0.1mm，技术成熟的话甚至可以到纳米级别。在一个实施例中，连接臂11为螺旋弹簧，螺旋弹簧直线距离为为8.5mm,展开长度为46.7mm。连接臂11的展开长度越长，低频减振效果越好；相反，越短，高频减振效果好。
连接臂11的截面形状也可以为多种，如矩形，圆形，椭圆形，圆环形或三角形。不同的截面形状结构的惯性矩不同，从而影响共振频率。同时，这些截面的尺寸也可以根据需要调整。当截面形状为矩形时，截面的惯性矩最小，其次为圆形。
连接体21可以是半球体、长方体或半椎体，两个连接体紧密连接组成的中心体2可以为球体、长方体、正方体或椎体。中心体2的形状和尺寸影响减振结构的占空比，占空比决定减振禁带的宽度。中心体的形状和尺寸可以根据需要进行调整。当立方体内接球半径与球体半径相同的情况下，中心体2为立方体时的体积比中心体2为球体时的体积更大，填充率更高。当中心体2为球体时，其直径最低为0.1mm。在一个实施例中，中心体2为球形，其半径为16.5mm。
连接臂11或连接体21可以选用橡胶、尼龙、树脂、塑料、金属中的一种或几种材料制成。连接臂11和连接体21可以使用同种材料制成，也可以分别选用不同材料制成。
为获得较好的减振效果，减振结构中单元晶胞的数量不少于2个。
制备减振结构时，可以使用3D打印、装配加工或复模浇注的方法加工成型。
在减振结构的一个实施例中：
单元晶胞的边长L：50mm
中心体2为球体，球体半径：16.5mm
连接臂11直线长度：8.5mm
连接臂11展开长度：46.7mm
禁带最低点：3Hz；
上述实施例中其他条件不变的情况下，减振结构的禁带最低点与连接臂长度成比例，调整连接臂展开长出，所对应的禁带最低点随之改变。
本发明提供了一种减振结构，该减振结构是一种具有隔振特性的局域共振型声学超结构。在该减振结构受力时，连接件的连接臂发生微小弹性形变，可以将隔振频段有效范围降低至几赫兹。该减振结构还具有隔振频带宽、质量轻、易加工等优势，在航空航天、电子装备、机械工程等领域具有广泛应用价值。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种减振结构，其特征在于，所述减振结构由单元晶胞周期性地排列而成，所述单元晶胞包括连接体和连接件，所述连接件为具有弹性的部件，所述连接件具有6条连接臂，所述6条连接臂的一端共同固定在固定件上，6条连接臂两两共线地分为三组，三组连接臂之间相互垂直，所述连接臂的另一端连接有一个连接体；在所述减振单元中的单元晶胞紧密接触排布，任意两个相邻的单元晶胞之间通过连接体固定连接，相连接的两个连接体连接组成一个中心体。
2.根据权利要求1所述的减振结构，其特征在于，所述单元晶胞沿单个方向周期排列，使减震结构呈现为梁状。
3.根据权利要求1所述的减振结构，其特征在于，所述单元晶胞同时沿相互垂直的两个方向周期排列，使减震结构呈现为板状。
4.根据权利要求1所述的减振结构，其特征在于，所述单元晶胞同时沿相互垂直的三个方向周期排列，使减震结构呈现为体状。
5.根据权利要求1所述的减振结构，其特征在于，所述中心体为球体，长方体，正方体，椎体。
6.根据权利要求1所述的减振结构，其特征在于，所述固定件为球体或者正方体。
7.根据权利要求1所述的减振结构，其特征在于，所述连接臂为直线型、锯齿状、波浪形、矩形波型或螺旋形。
8.根据权利要求1所述的减振结构，其特征在于，所述连接臂的截面形状为矩形、圆形、椭圆形、圆环形或三角形。
9.根据权利要求1所述的减振结构，其特征在于，所述连接臂或中心体为橡胶、尼龙、树脂、塑料、金属中的一种或几种材料制成。
10.根据权利要求1所述的减振结构，其特征在于，所述减振结构使用3D打印、装配加工或复模浇注的方法加工成型。
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