CN109441006B - 基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁 - Google Patents

基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁，包括基梁、形状记忆合金和加热片；形状记忆合金在加热的状况下呈弯曲状，在冷却情况下呈水平状；所述的形状记忆合金以设定间隔沿基梁长度方向布置在基梁上，加热片贴附在形状记忆合金上。本发明通过形状记忆合金形状的变化可以实现局域共振带隙的移动，实现了带隙的调节。架设简单，且不强制需要周期架设实现。通过形状记忆合金的变化可以实现布拉格带隙与局域共振带隙的切换，大大拓宽了可调节带隙的范围。

Description

基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁
技术领域
本发明属于超材料领域，尤其涉及一种基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁。
背景技术
超材料梁存在带隙特性，带隙频率范围内的弹性波传播可以被有效抑制，因而将超材料梁应用到工程结构中，可以通过超材料梁的带隙特性和通带特性实现减振效果，这对于机械结构减振设计具有重要意义。
目前为止，超材料带隙机理存在两种方式。
早期的带隙研究主要是基于布拉格散射机理，其出现的带隙频率位置主要受布拉格条件控制，即
a：晶格尺寸；λ：弹性波波长。参考文献：Sigalas M M,Economou E N.Elastic andacoustic wave band structure[J].Journal of Sound and Vibration,1992,158(2):377-382。
另一种是基于局域共振机理，其取决于局域共振单元自身的谐振特性与基体中长波行波的相互作用。参考文献：Liu Z,Zhang X,Mao Y,et al.Locally resonant sonicmaterials[J].Science,200,289(5485):1734-1736。
然而通过布拉格机理实现带隙取决于晶格尺寸，而普通的超材料梁晶格尺寸一旦确定即不能更改，限制了对带隙位置的调控；要实现低频的布拉格带隙，必须采用较大的晶格尺寸，这一定程度限制了布拉格型超材料在低频减振方面的应用；
而局域共振型材料虽然可以实现低频，但带隙宽度较小；并且采用“弹簧-振子”形式的普通局域共振型材料的局域带隙数量只有一个，这限制了其在多频率范围的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁。
本发明的基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁，包括基梁、形状记忆合金和加热片；所述的形状记忆合金在加热的状况下呈弯曲状，在冷却情况下呈水平状；所述的形状记忆合金以一片或多片为一个形状记忆合金单元，所述的形状记忆合金单元以设定间隔沿基梁长度方向设置在基梁上，所述的加热片贴附在形状记忆合金上。
优选的，所述的形状记忆合金为双程记忆合金，所述的形状记忆合金只有一端设置在基梁上。
优选的，所述的形状记忆合金单元包括两片形状记忆合金，两片形状记忆合金的一端设置在基梁上，另一端悬空，且所述的两片形状记忆合金相对于基梁对称布置。
优选的，所述的加热片为有PI加热膜，通过通断电控制形状记忆合金片的弯曲与平躺。优选的，所述的形状记忆合金上的加热片完全相同，加热片可以由同一开关控制，使形状记忆合金受热相同；也可以由多个开关控制，使部分形状记忆合金受热，部分不受热，以实现晶格常数的变化。
优选的，所述的形状记忆合金单元以等间隔沿基梁长度方向设置在基梁上。
优选的，所述的形状记忆合金一端设置在基梁上，另一端设置有质量块。所述的质量块可以为钢珠，所述的质量块可以设置在塑料底垫上，所述的塑料底垫连接在形状记忆合金上，连接方式可以是通过胶水进行面粘接，通过塑料底垫的过渡可以消除直接用胶水粘接钢珠存在的不稳定性。塑料底垫可采用3D打印方式制作。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
本发明对基梁的形状和结构并无特殊要求，对形状记忆合金形状也无特殊要求。
通过形状记忆合金形状的变化可以实现局域共振带隙的移动，实现了带隙的调节。架设简单，且不强制需要周期架设实现。
在质量块的方案中，通过形状记忆合金可以控制钢珠是否附着在基梁上来调节相邻钢珠的距离以达到调控晶格尺寸的作用，通过钢珠脱离基梁的方式增大晶格尺寸。
通过形状记忆合金的变化可以实现布拉格带隙与局域共振带隙的切换，大大拓宽了可调节带隙的范围。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意及测试装置图；
图2为本发明实施例1的带隙调控效果图。
图3为本发明实施例2的结构示意及测试装置图；
图4为本发明实施例2的带隙调控效果图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本发明的基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁，包括基梁、形状记忆合金和质量块；所述的形状记忆合金为双程记忆合金，在加热的状况下呈弯曲状，在冷却情况下呈水平状，所述的形状记忆合金一端设置在基梁上，另一端设置有质量块，且所述的形状记忆合金均匀布置在基梁上。
在本发明的具体实施例中，所述的质量块为钢珠，所述的形状记忆合金片上贴有PI加热膜，通过通断电控制形状记忆合金片的弯曲与平躺。所述的质量块设置在塑料底垫上，所述的塑料底垫通过胶水粘接在形状记忆合金上。
本发明的基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁一般可按如下步骤进行制作：
步骤一，设计加工合适的形状记忆合金曲梁及其控制相变的方式；
步骤二，设计形状记忆合金与质量块的连接方式；
步骤三，设计加工合适的基梁；
步骤四，选择合适的方式对形状记忆合金与基梁进行连接。
在本发明的一个具体实施例中，所述的形状记忆合金片的弯曲半径R＝35mm，总长140mm，宽10mm，厚0.4mm；所述的钢珠半径R＝8mm；所述的基梁选用6061铝梁，长1152mm，宽15mm，厚3mm，该尺寸下带隙效果较为明显。在基梁上共布置8个周期的形状记忆合金单元，通过502胶粘的方式将两者进行连接。
测试装置包括压电堆栈激振器、光纤光栅传感系统。通过压电堆栈激振器输出不同频率的激振信号，并在超材料梁两侧粘接光纤光栅以实时检测两侧的竖直位移信号，输出侧位移信号与输入侧位移信号的比值即为振动传递率。
图2示出了本实施例的带隙可控超材料梁的带隙实验调控图，通过形状记忆合金控制钢珠粘附铝梁与否实现了三种不同的声子晶体晶格常数，选取了6000Hz以下频率进行观察，从图中可以看出超材料梁在四种不同状态的组合下，大部分频率范围可以实现振动传递禁带，大部分频率范围可以实现振动传递通带，两者重合部分则为可以进行禁带与通带开关调控的频率范围，该调控区间覆盖了6000Hz内的大部分频率范围。也就是说在6000Hz内的大部分频率范围，可以实现超材料梁振动传递的“开与关”。
实施例2
如图3所示，本发明的基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁，包括基梁、形状记忆合金；所述的形状记忆合金为双程记忆合金，在加热的状况下呈弯曲状，在冷却情况下呈水平状，所述的形状记忆合金以两片为一个单元，两片形状记忆合金的一端设置在基梁上，另一端悬空，且所述的两片形状记忆合金相对于基梁对称布置。
在本发明的具体实施例中，所述的形状记忆合金片上贴有PI加热膜，通过通断电控制形状记忆合金片的弯曲与平躺。
本发明的基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁一般可按如下步骤进行制作：
步骤一，设计加工合适的形状记忆合金曲梁及其控制相变的方式；
步骤二，设计加工合适的基梁；
步骤三，选择合适的方式对形状记忆合金与基梁进行连接。
在本发明的一个具体实施例中，所述的形状记忆合金片的弯曲半径R＝35mm，总长140mm，宽10mm，厚0.4mm；所述的基梁选用6061铝梁，长580mm，宽10mm，厚3mm，该尺寸下带隙效果较为明显。在基梁上共布置6个周期的形状记忆合金单元，通过502胶粘的方式将两者进行连接。
测试装置包括压电堆栈激振器、光纤光栅传感系统。通过压电堆栈激振器输出不同频率的激振信号，并在超材料梁两侧粘接光纤光栅以实时检测两侧的竖直位移信号，输出侧位移信号与输入侧位移信号的比值即为振动传递率。
图4示出了本实施例的带隙可控超材料梁的带隙实验调控图，选取了2500Hz以下频率进行观察，从图中可以看出该结构超材料梁在两种不同状态的组合下，较多的频率范围可以实现振动传递禁带，大部分频率范围可以实现振动传递通带，两者重合部分则为可以进行禁带与通带开关调控的频率范围，该范围虽然较质量块结构小，但是优势在于结构更加简单，并且在许多频率下也能实现超材料梁振动传递的“开与关”。

Claims (7)

1.一种基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁，其特征在于包括基梁、形状记忆合金和加热片；所述的形状记忆合金在加热的状况下呈弯曲状，在冷却情况下呈水平状；所述的形状记忆合金以一片或多片为一个形状记忆合金单元，所述的形状记忆合金单元以设定间隔沿基梁长度方向布置在基梁上，所述的加热片贴附在形状记忆合金上；加热片可以由同一开关控制，使形状记忆合金受热相同；也可以由多个开关控制，使部分形状记忆合金受热，部分不受热，以实现晶格常数的变化；所述的形状记忆合金为双程记忆合金，所述的形状记忆合金的一端设置在基梁上。
2.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁，其特征在于所述的形状记忆合金单元包括两片形状记忆合金，两片形状记忆合金的一端设置在基梁上，另一端悬空，且所述的两片形状记忆合金相对于基梁对称布置。
3.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁，其特征在于所述的加热片为PI加热膜，通过通断电控制形状记忆合金片的弯曲与平躺。
4.如权利要求3所述的基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁，其特征在于所述的形状记忆合金上的加热片完全相同。
5.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁，其特征在于，所述的形状记忆合金单元以等间隔沿基梁长度方向设置在基梁上。
6.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁，其特征在于，所述的形状记忆合金一端设置在基梁上，另一端设置有质量块。
7.如权利要求6所述的基于形状记忆合金的带隙可控超材料梁，其特征在于，所述的质量块可以为钢珠，所述的质量块设置在塑料底垫上，所述的塑料底垫连接在形状记忆合金上。
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