CN108591810A - 一种高拉伸强度的可调带隙机械超材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高拉伸强度的可调带隙机械超材料，其特征在于：包括弹性穿孔板和夹持板；所述弹性穿孔板上设有多个呈矩阵排列的通孔，所述通孔由上缘弧线、右端弧线、下缘弧线和左端弧线顺序围合而成，所述上缘弧线和所述下缘弧线镜像对称且开口相背设置，所述左端弧线和所述右端弧线镜像对称且开口相对设置；所述弹性穿孔板的外沿通过多个弹性连接体与所述夹持板的内沿连接。本发明通过外部机械力拉动夹持板来带动弹性穿孔板的运动，使正方形元胞几何构型发生改变，从而实现本发明的带隙的实时且连续的调节，操作方便易于实现，且具有高拉伸强度的通孔构型设计保证了超材料拉伸变形时的可靠性，工程实用性强。

Description

一种高拉伸强度的可调带隙机械超材料

技术领域

本发明属于超材料设计领域，尤其涉及一种高拉伸强度的可调带隙机械超材料。

背景技术

机械超材料是一类由特殊设计的人工结构单元周期性排列构成的材料或结构，具有天然材料所不具备的特殊机械性能，它们都可以被称为人工周期结构。研究表明，经特殊设计的人工周期结构具有能够抑制弹性波传播的频率范围，这些频率范围称为带隙。通过调节人工周期结构的几何/材料参数，可以人为调控带隙的位置、宽度及其对波传播的抑制能力。

目前，应用于振动控制方面的声学超材料专利很多，这些应用一般都有固定的元胞常数、材料密度或模量、谐振频点等。然而，由于实际应用环境的复杂性，往往需要超材料具有大的带宽或带隙范围可变。

在现有的带隙展宽的专利和文献研究中，多采用声子晶体板附加振子、多频振子或拓扑优化振子结构的方式实现带隙的展宽，例如文献“Acoustic multi-stopbandmetamaterial plates design for broadband elastic wave absorption andvibration suppression”采用附加多个谐振子的方式拓宽带隙，但是该种方式的超材料结构一旦确定，带隙无法实现实时调节，而且在一些特殊情况下，需要某一段频率的带隙时有时无。

在现有的可调带隙的专利和文献研究中，多采用基体梁板附加压电片和调节嵌入式磁铁对的方式实现带隙的实时调节，例如文献“An adaptive metamaterial beam withhybrid shunting circuits for extremely broadband control of flexural waves”等利用压电堆栈和多种附加电路实现带隙实时可调，但是该种方式的超材料结构与调控方式十分复杂；例如一种胞元特性可调节周期阵列的声子晶体减振装置，该装置利用磁流变弹性体在电场作用下物理力学参数的改变实现胞元组合形式的变化，其控制机构较多且控制方法较复杂。例如一种基于形状记忆合金带隙可调的声子晶体隔振器，该装置利用形状记忆合金的形状记忆效应实现三级隔振，但由于形状记忆合金的形变确定性，为达到带隙的多级调节需要复杂的调控机构。

综合分析发现，在实现减振降噪频带实时可调方面，现有的声学超材料还存在谐振结构和控制机构复杂、操控难度大的问题。因此，为满足超材料实际应用中的需求，设计具有实时可调带隙，且简单实用的超材料结构具有十分重要的意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种高拉伸强度的可调带隙机械超材料，通过在弹性板上设计特殊孔洞的方式构造特殊构型的微结构，获得具有带隙实时连续可调性质且易于操控和制备的声学超材料，为保证操作过程中结构的稳定性，本发明的孔洞拓扑构型经过了谨慎设计以获得具有符合机械可调要求的高拉伸强度的拓扑构型；另外，所设计的超材料兼具负泊松比性质，实现了多功能机械超材料的设计。本发明采用的技术手段如下：

一种高拉伸强度的可调带隙机械超材料，包括弹性穿孔板和夹持板；

所述弹性穿孔板上设有多个呈矩阵排列的通孔，所述通孔由上缘弧线、右端弧线、下缘弧线和左端弧线顺序围合而成，所述上缘弧线和所述下缘弧线镜像对称且开口相背设置，所述左端弧线和所述右端弧线镜像对称且开口相对设置；

相邻两个所述通孔中一个为横向设置通孔，另一个为纵向设置通孔；

所述纵向设置通孔由所述横向设置通孔顺(逆)时针旋转90°得到；

所述弹性穿孔板的外沿通过多个弹性连接体与所述夹持板的内沿连接。

所述弹性穿孔板具有多个呈矩阵排列的正方形元胞，所述正方形元胞的四个顶点分别由横向相邻的两个横向设置通孔中心点和位于上述两个横向设置通孔正上方或正下方的两个横向设置通孔中心点构成；

所述上缘弧线和所述下缘弧线之间的最小间距为a，所述上缘弧线的弦长为b、弦高为c，所述弦高c由函数c＝f(a,b,L,P)控制，满足以下公式：

其中L是正方形元胞边长，P是正方形元胞穿孔率；

所述左端弧线由两个开口向内且相切的半圆弧组成，所述半圆弧的半径r＝c/2+a/4。

所述弹性连接体与位于所述弹性穿孔板的外沿上的相邻所述通孔之间的交接处连接；

所述弹性连接体的另一端与所述夹持板粘接或由所述夹持板的上下板夹持并通过螺栓连接。

所述a的尺寸根据目标伸缩程度灵活调节。

所述弹性穿孔板和所述弹性连接体的材质为线弹性材料、弹塑性材料或超弹性材料；

所述夹持板的材质硬度高于所述弹性穿孔板和所述弹性连接体的材质硬度。

所述通孔内不限于填充阻尼材料与否。

所述高拉伸强度的可调带隙机械超材料的带隙调节方式为：将外部横向(纵向)机械力施加在所述夹持板上，受横向(纵向)拉伸而变形的所述弹性穿孔板的所述正方形元胞的几何构型会发生变化，而且所述正方形元胞的材料内部会产生应力，从而带隙会发生变化，实现对所述高拉伸强度的可调带隙机械超材料带隙的机械式调节。

保证所述高拉伸强度的可调带隙机械超材料可工作在机械拉伸状态下的高拉伸强度特性体现在：所述横向设置通孔和所述纵向设置通孔的设计使得所述弹性穿孔板在拉伸应变作用下表现出具有旋转特征的特殊变形模式，使得小的拉伸应变(应力)响应下产生大的变形；另一方面，横向设置通孔和所述纵向设置通孔端部形状(两个开口向内且相切的半圆弧组成)设计能够最大限度地分散通孔边缘的应力，有效缓解应力集中。

所述弹性连接体采用相邻所述通孔之间的交接处长度延伸的形式，其目的是防止机械横向或纵向拉伸时的所述弹性穿孔板的外沿处的正方形元胞变形受阻。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

1)本发明通过外部机械力拉动夹持板来带动弹性穿孔板的运动，使正方形元胞几何构型发生改变，从而实现本发明的带隙的实时且连续的调节，操作方便易于实现，且具有高拉伸强度的通孔构型设计保证了超材料拉伸变形时的可靠性，工程实用性强。

2)本发明的弹性穿孔板还具有负泊松比性质，可达到由正值到接近于-1的泊松比值范围，且本发明的等效泊松比值可随通孔几何参数的变化而改变，拓展了本发明的应用领域，同时降低了使用成本。

3)本发明的弹性穿孔板的通孔拓扑构型使得本发明在拉伸应变过程中表现出特殊的变形模式即具有更大的弹性应变范围，特别是通孔端部的双弧线设计有效地缓解了应力集中现象，从而获得高拉伸强度，在实际使用过程中可靠性更高。

4)本发明的主体为平面穿孔板，无需附加其他谐振子等机构来实现声波调控功能，结构简单，而且各种切割制造工艺和增材制造技术的发展使得该结构易于加工制备。

基于上述理由本发明可在超材料设计等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的具体实施方式中高拉伸强度的可调带隙机械超材料及正方形元胞的结构示意图。

图2为本发明的具体实施方式中弹性穿孔板的通孔拓扑构型图。

图3为本发明的具体实施方式中正方形元胞的不可约布里渊区示意图。

图4为本发明的具体实施方式中高拉伸强度的可调带隙机械超材料在不同通孔尺度下的正方形元胞能带结构对比图。

图5为本发明的具体实施方式中高拉伸强度的可调带隙机械超材料的通孔与其他形状孔洞拓扑结构在拉伸位移载荷作用下的弹性应变能密度随拉伸应变变化的曲线对比图。

图6为本发明的具体实施方式中高拉伸强度的可调带隙机械超材料在水平拉伸位移载荷作用的结构变形示意图。

图7为本发明的具体实施方式中高拉伸强度的可调带隙机械超材料在机械拉伸变形前后的正方形元胞能带结构对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图2所示，一种高拉伸强度的可调带隙机械超材料，包括弹性穿孔板1和夹持板3；

所述弹性穿孔板1上设有多个呈矩阵排列的通孔，所述通孔由上缘弧线8、右端弧线9、下缘弧线10和左端弧线11顺序围合而成，所述上缘弧线8和所述下缘弧线10镜像对称且开口相背设置，所述左端弧线11和所述右端弧线9镜像对称且开口相对设置；

相邻两个所述通孔中一个为横向设置通孔5，另一个为纵向设置通孔6；

所述弹性穿孔板1的外沿通过多个弹性连接体2与所述夹持板3的内沿连接。

所述弹性穿孔板1具有多个呈矩阵排列的正方形元胞4，所述正方形元胞4的四个顶点分别由横向相邻的两个横向设置通孔5中心点和位于上述两个横向设置通孔5正上方或正下方的两个横向设置通孔5中心点构成；

所述上缘弧线8和所述下缘弧线10之间的最小间距为a，所述上缘弧线8(半径为R的圆的一部分)的弦长为b、弦高为c，所述弦高c由函数c＝f(a,b,L,P)控制，满足以下公式：

其中L是正方形元胞4边长，P是正方形元胞4穿孔率；

所述左端弧线11由两个开口向内且相切的半圆弧组成，所述半圆弧的半径r＝c/2+a/4。

所述弹性连接体2与位于所述弹性穿孔板1的外沿上的相邻所述通孔之间的交接处7连接；

所述弹性连接体2的另一端与所述夹持板3粘接或由所述夹持板3的上下板夹持并通过螺栓连接。

所述正方形元胞4中的孔洞排布为：所述正方形元胞4的中心孔洞为横向设置通孔5，所述正方形元胞4的上、下、左、右边缘中心处的孔洞分别为纵向设置通孔6的下、上、右、左半部分；所述正方形元胞4的左上、右上、左下、右下边缘孔洞分别为所述横向设置通孔5的右下、左下、右上、左上部分。

所述a的尺寸根据目标伸缩程度灵活调节。

所述弹性穿孔板1和所述弹性连接体2的材质为线弹性材料、弹塑性材料或超弹性材料；

所述夹持板3的材质硬度高于所述弹性穿孔板1和所述弹性连接体2的材质硬度。

所述通孔内不限于填充阻尼材料与否。

图4所示为所述高拉伸强度的可调带隙机械超材料在不同通孔尺度下的正方形元胞4能带结构对比图，计算方式是利用有限元软件COMSOL Multiphysics，对图3所示的所述正方形元胞4的整个不可约布里渊区边界Γ-X-M-Γ进行扫描，即对应图4中的横坐标波矢k分别取0-1-2-3；所述正方形元胞4四周的边界均设置为Bloch周期性边界条件，其他边界为自由边界。所述正方形元胞4所用材料为Acrylic plastic，弹性模量E＝3.2GPa，泊松比v＝0.35，密度ρ＝1190kg/m³，厚度为1mm，正方形元胞4边长L＝10mm，P＝20％，a＝0.05mm，b分别为8mm(左图)和9mm(右图)。由图可知，当弦长b由8mm增大到9mm时，第一带隙范围从92-121kHz变为57-124kHz，不仅带宽增大了38kHz，带隙的下截止频率也降低了35kHz，可见所述正方形元胞4的几何参数对带隙的影响很大。

图5所示为所述高拉伸强度的可调带隙机械超材料的通孔与常用的矩形、椭圆形和菱形孔洞拓扑结构在拉伸位移载荷作用下的弹性应变能密度随拉伸应变变化的曲线对比图，所述正方形元胞4所用材料均为Acrylic plastic，厚度均为1mm，正方形元胞4边长均为10mm，穿孔率均为20％，a＝0.05mm，b＝8.5mm，相邻所述通孔(孔洞)之间的交接处7长度均为0.4mm，有限元仿真中采用相同的网格密度，由图可知，在相同拉伸应变下所述高拉伸强度的可调带隙机械超材料的弹性应变能密度均远小于其他构型，而且当应变到达3mm处时，结构仍处于弹性应变阶段，没有出现其他拓扑结构的曲线J形转变；因此，高拉伸强度的可调带隙机械超材料的通孔拓扑构型不仅能够使结构在小的拉伸应变(应力)响应下产生大的变形，而且具有最小孔洞边缘的应力集中，所组成的所述高拉伸强度的可调带隙机械超材料具有高拉伸强度。

图6所示为所述高拉伸强度的可调带隙机械超材料在水平拉伸位移载荷作用的结构变形示意图，所述弹性穿孔板1和所述弹性连接体2所用材料均为Acrylic plastic，夹持板3所用材料为铁，弹性模量E＝200GPa，泊松比v＝0.29，密度ρ＝7870kg/m³，弹性穿孔板1厚度为1mm，正方形元胞4边长L＝10mm，P＝20％，a＝0.05mm，b＝8.5mm，左端的夹持板3固定，右端的夹持板3施加横向拉伸位移5mm；仿真测得弹性穿孔板1的中心处的正方形元胞4的右侧边界位移的线平均值为3mm，左侧边界位移的线平均值为2mm，上边界位移的线平均值为0.478mm，下边界位移的线平均值为-0.505mm，求得该几何参数下所述高拉伸强度的可调带隙机械超材料的等效泊松比v＝-0.983，因此本发明的所述高拉伸强度的可调带隙机械超材料结构还具有负泊松比性质，具有多功能性，拓宽了其应用范围。

图7所示为高拉伸强度的可调带隙机械超材料在机械拉伸变形前后的正方形元胞4能带结构对比图，左图的计算方式与图4中相同，另外右图中，在仿真时首先进行拉伸载荷的稳态计算，分别向正方形元胞4的四个边界施加3mm的拉伸位移载荷，再进行参数化特征频率计算。正方形元胞4所用材料仍为Acrylic plastic，厚度为1mm，正方形元胞4边长L＝10mm，P＝20％，a＝0.05mm，b＝8mm。由图可知，当正方形元胞4受到拉伸位移载荷时，第一带隙范围从92-121kHz变为115-152kHz，不仅带宽增大了8kHz，带隙的上下截止频率分别增大了31kHz和23kHz；因此，本发明的所述高拉伸强度的可调带隙机械超材料在机械拉伸应变下具有带隙可调的特性

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种高拉伸强度的可调带隙机械超材料，其特征在于：包括弹性穿孔板和夹持板；

所述弹性穿孔板上设有多个呈矩阵排列的通孔，所述通孔由上缘弧线、右端弧线、下缘弧线和左端弧线顺序围合而成，所述上缘弧线和所述下缘弧线镜像对称且开口相背设置，所述左端弧线和所述右端弧线镜像对称且开口相对设置；

相邻两个所述通孔中一个为横向设置通孔，另一个为纵向设置通孔；

所述弹性穿孔板的外沿通过多个弹性连接体与所述夹持板的内沿连接。

2.根据权利要求1所述的高拉伸强度的可调带隙机械超材料，其特征在于：所述弹性穿孔板具有多个呈矩阵排列的正方形元胞，所述正方形元胞的四个顶点分别由横向相邻的两个横向设置通孔中心点和位于上述两个横向设置通孔正上方或正下方的两个横向设置通孔中心点构成；

所述上缘弧线和所述下缘弧线之间的最小间距为a，所述上缘弧线的弦长为b、弦高为c，所述弦高c由函数c＝f(a,b,L,P)控制，满足以下公式：

其中L是正方形元胞边长，P是正方形元胞穿孔率；

所述左端弧线由两个开口向内且相切的半圆弧组成，所述半圆弧的半径r＝c/2+a/4。

3.根据权利要求1或2所述的高拉伸强度的可调带隙机械超材料，其特征在于：

所述弹性连接体与位于所述弹性穿孔板的外沿上的相邻所述通孔之间的交接处连接；

所述弹性连接体的另一端与所述夹持板粘接或由所述夹持板的上下板夹持并通过螺栓连接。

4.根据权利要求1或2所述的高拉伸强度的可调带隙机械超材料，其特征在于：所述a的尺寸根据目标伸缩程度灵活调节。

5.根据权利要求1或2所述的高拉伸强度的可调带隙机械超材料，其特征在于：所述弹性穿孔板和所述弹性连接体的材质为线弹性材料、弹塑性材料或超弹性材料；

所述夹持板的材质硬度高于所述弹性穿孔板和所述弹性连接体的材质硬度。

6.根据权利要求1或2所述的高拉伸强度的可调带隙机械超材料，其特征在于：所述通孔内不限于填充阻尼材料与否。