CN109441983B - 一种具有隔振特性的点阵结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有隔振特性的点阵结构，属于振动控制领域，能够解决目前点阵结构对振动载荷敏感，隔振性能弱的问题。本发明由基于声学超材料单元设计的具有局域共振特性的胞元沿三维方向周期性扩展构成，所述局域共振型胞元为杆件组成的体心立方点阵结构，内部交叉杆件靠近中心的部分截面积大于其它杆件，截面积大的杆件可以视作振子，所述由交叉杆件组成的振子，其长宽高为胞元尺寸的1/2。本发明可以在多频段，尤其是较低频率范围内实现振动抑制，可用于具有承载要求的隔振设施。
Description
技术领域
本发明属于振动控制技术领域，尤其涉及一种具有隔振特性的点阵结构。
背景技术
由杆件组成的周期性点阵结构由于其轻质、比强度高、比刚度高的特性，被应用于航空航天，建筑工程及车辆船舶等领域，同时因为质量较轻，刚度较大，结构容易在外部激励下产生振动并辐射噪声，有效的振动控制可以避免结构损坏及提高人类工作环境的舒适性。
声子晶体作为一种周期性结构，通过材料或结构参数的周期性变化，可以在某些特定的频率范围内抑制弹性波的传播，这些频率范围被称为Bragg散射型带隙，带隙频率对应的波长与胞元尺寸处于同一量级。借鉴声子晶体产生带隙的机理，Ying Liu等人2014年在J.Vib.Acoust.136(2)论文中通过使Kagome点阵结构统一增大节点质量来产生带隙，Zhijing Wu等人2015年在J.Sound Vib.341,162-173论文中通过使组成点阵结构的材料周期性变化等措施达到振动抑制的目的，但是受结构尺寸的限制，带隙所在的频率范围限制在较高频率段。
声学超材料的出现，为低频减振提供了可能，其结构形式通常为在某一弹性基体材料中周期性嵌入局域共振单元，该局域共振单元由两种材料组成，弹性波在其中传播时，受到胞元内部振子共振的影响，能量被削弱，产生低频带隙，该带隙被称为局域共振型带隙，这种结构中，由于带隙的产生主导于单个胞元的共振特性，因此可以实现小尺寸低频减振。结合声学超材料的设计理念，L.Junyi等人2016年在J.Solids Struct.91,55-71设计的三维杆件点阵结构中通过在节点处添加带末端质量的悬臂结构来实现低频振动抑制，即结构的力学性能与隔振性能分开考虑，其中悬臂结构起到局域共振单元的作用，但是，点阵结构的制造会变得复杂，不便于一体化成型。
发明内容
本发明提供了一种具有隔振特性的点阵结构，可产生多频段禁带，实现振动抑制，同时增强了其力学性能结构形式简单，结构胞元由一种材料制成，便于一体化成型，易于制造，易于工程应用。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有隔振特性的点阵结构，由具有局域共振特性的胞元沿三维方向周期性扩展构成；所述胞元为六面体结构，包括外部框架1，内部细杆2，振子3，在六面体内沿对角布置内部细杆2和振子3，每个内部细杆2一端与外部框架1的各个角连接，另一端连接振子3。
以上所述结构中，胞元为一种材料制成；外部框架1的各边为1/4圆形截面杆件构成；内部细杆2为圆形截面杆件；振子3由交叉的圆形截面杆件组成；振子3的截面积大于内部细杆2的截面积；内部细杆2与外部框架1通过刚性连接，内部细杆2与振子3通过刚性连接；振子3的长、宽和高为胞元尺寸的1/2。
本发明的有益效果：本发明提供了一种具有隔振特性的点阵结构，通过胞元沿不同空间方向的分布，能够形成不同的宏观结构，可产生多频段禁带，尤其是可利用其胞元的局域共振特性，在小尺寸情况下在由杆件组成的点阵结构中产生较低频率禁带；本发明相对于传统单一截面的点阵结构，在不添加额外附件的情况下，既实现振动抑制，同时增强了其力学性能刚度和强度；而且本发明结构胞元由一种材料制成，这样使得结构形式简单，便于一体化成型，易于制造，易于工程应用。
附图说明
图1为本发明三维结构示意图。
图2为本发明胞元示意图。
图3为三维简单立方晶格不可约Brillouin区示意图。
图4为实施例中无限大结构的能带图，阴影为禁带。
其中，1为外部框架，2为内部细杆，3为振子，4为第一条禁带下边界，5为第一条禁带上边界，6为第二条带隙下边界，7为第二条带隙上边界。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
如图1所示，一种基于声学超材料设计具有隔振特性的点阵结构，由具有局域共振特性的胞元沿三维方向周期性扩展构成；由具有局域共振特性的胞元沿三维方向周期性扩展构成；所述胞元为六面体结构，包括外部框架1，内部细杆2，振子3，每个内部细杆2一端与外部框架1的各个角连接，另一端连接振子3，在六面体内沿对角布置内部细杆2和振子3。胞元为一种材料制成；外部框架1的各边为1/4圆形截面杆件构成；内部细杆2为圆形截面杆件；振子3由交叉的圆形截面杆件组成；振子3的截面积大于内部细杆2的截面积；内部细杆2与外部框架1通过刚性连接，内部细杆2与振子3通过刚性连接；振子3的长、宽和高为胞元尺寸的1/2。当振子3截面半径为胞元其它杆件半径4倍及以上时，禁带明显。该点阵结构可根据工程实际调整胞元个数，尺寸及材料常数，尺寸和材料常数的变化会对该结构激发的禁带位置及范围产生影响。
下面限定结构胞元尺寸及材料常数，计算其在不可约Brillouin区的能带图，说明其能够产生禁止波动传播的带隙。取胞元晶格常数为5cm，振子截面半径为4mm，其它杆件半径为1mm，结构材料为环氧树脂，弹性模量为4.35GPa，剪切模量为1.59GPa，密度为1180Kg/m3，使波矢扫描图3所示的不可约Brillouin区，计算该结构的前25阶特征频率，所得能带结构如图4所示，其中禁带为阴影标出的部分，在禁带范围内，任一方向的波传播都是禁止的。
工作过程：
对于有限大结构，当振动载荷作用于该点阵结构时，由于受到局域共振型胞元的影响，弹性波在结构中传播时，在多个频率段被削弱。当胞元晶格常数及材料属性确定时，所产生的带隙边界随杆件几何参数变化，如图4所示，存在一定规律：当振子3截面半径增大或者使内部细杆2为空心杆件且壁厚减小时，第一条带隙的下边界4会向更低频率移动，第二条带隙的上边界7会向更高频率移动，而第一条带隙的上边界5与第二条带隙的下边界6维持不变；当使外部框架1为空心杆件时，第一条带隙的上边界5及第二条带隙的下边界6都会向高频移动。这种规律可用于扩大禁带产生的范围，进而增加能达到振动抑制的频率范围，同时，通过增大振子3半径或减小内部空心细杆的壁厚可达到更低频的振动控制，从而实现宽频及低频隔振。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种具有隔振特性的点阵结构，其特征在于，所述结构由具有局域共振特性的胞元沿三维方向周期性扩展构成；所述胞元为六面体结构，包括外部框架(1)，内部细杆(2)，振子(3)，在六面体结构内沿对角布置内部细杆(2)和振子(3)，每个内部细杆(2)一端与外部框架(1)的各个角通过刚性连接，另一端通过刚性连接振子(3)；外部框架(1)的各边为1/4圆形截面杆件，内部细杆(2)为圆形截面杆件，振子(3)由交叉的圆形截面杆件组成。
2.根据权利要求1所述的具有隔振特性的点阵结构，其特征在于，所述胞元为一种材料制成。
3.根据权利要求1所述的具有隔振特性的点阵结构，其特征在于，振子(3)中圆形截面杆件的截面积大于内部细杆(2)的截面积。
4.根据权利要求1所述的具有隔振特性的点阵结构，其特征在于，振子(3)的长、宽和高为胞元的1/2。
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