CN109555805A - 一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，所述盒式减振结构包括：平行且对称设置的上主梁和下主梁，在所述上主梁和所述下主梁形成的空间两端分别设置第一连接构件和第二连接构件，以及至少一个排布于所述上主梁和所述下主梁之间且位于所述第一连接构件和所述第二连接构件之间的ABH减振构件，所述ABH减振构件的表面设置有阻尼层。本发明提供的盒式减振结构利用声学黑洞效应，将主梁上的弹性波能量集中在ABH减振构件上，并利用附着在ABH减振构件上的阻尼层实现对振动能量的吸收和耗散，具有结构简单、鲁棒性好，减振效果优良等技术优势，在盒式结构和梁结构振动控制方面具有广泛的应用前景。

Description

一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构

技术领域

本发明属于结构减振降噪技术领域，特别是涉及一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构。

背景技术

随着航空航天运载工具等工程装备日益向高速、大型、轻质和极端运行环境等方向发展，由此带来的振动噪声问题日趋严重，这已经成为制约我国重大装备性能提升的重要因素之一。作为航空航天运载装备重要组成部分之一的盒式结构，因其轻质的结构重量和优秀的力学性能，在飞机结构和土木工程中被广泛应用。盒式结构作为飞机机翼、建筑墙架和楼盖的重要组成部分，时常需要承受复杂的载荷环境和振动干扰，这使得结构的安全稳定性和使用寿命都受到了很大的影响。因此对于盒式结构的振动控制就显得尤为重要。

声学黑洞技术是利用结构阻抗的变化，使得结构中波的相速度和群速度发生变化，在结构局部区域实现对波的聚集和操控。当前声学黑洞技术主要是通过对薄壁结构的厚度进行裁剪来实现阻抗的变化，当弹性波由均匀区域传播到声学黑洞区域时，由于结构厚度逐渐减小，弹性波累积相位将逐渐增大，当声学黑洞边缘厚度趋近于零时，理论上弹性波将无法到达结构边缘，从而实现对波的俘获和操控。现有声学黑洞技术通常需要依靠削弱主结构厚度来达到减振的目的，这极大的破坏了主结构的强度和刚度，严重影响了被减振结构的功能，限制了声学黑洞技术的应用和推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，用来解决为达到减振的目的，现有声学黑洞技术破坏主结构的强度和刚度，影响被减振结构的功能的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，其特征在于，所述盒式减振结构包括：平行且对称设置的上主梁2和下主梁3，在所述上主梁2和所述下主梁3形成的空间两端分别设置第一连接构件1和第二连接构件6，以及至少一个排布于所述上主梁2和所述下主梁3之间且位于所述第一连接构件1和所述第二连接构件6之间的ABH减振构件4；所述第一连接构件1分别垂直于所述上主梁2和所述下主梁3，所述第二连接构件6分别垂直于所述上主梁2和所述下主梁3，所述ABH减振构件4的表面设置有阻尼层5。

可选的，所述ABH减振构件4刚性连接于所述上主梁2和所述下主梁3之间。

可选的，所述ABH减振构件4为中空的面对称空间结构；

所述ABH减振构件4包括依次连接的第一边缘厚度保持区域4-1、第一声学黑洞区域4-2、中间均匀区域4-3、第二声学黑洞区域4-4、第二边缘厚度保持区域4-5；

所述第一声学黑洞区域4-2与所述第二声学黑洞区域4-4关于所述中间均匀区域4-3的中轴面对称；

所述第一边缘厚度保持区域4-1与所述第二边缘厚度保持区域4-5关于所述中间均匀区域4-3的中轴面对称；

所述中间均匀区域4-3的上、下表面为形状大小相同且平行的长方形，所述中间均匀区域4-3的上、下表面之间的距离保持不变；

所述第一声学黑洞区域4-2的上、下表面间的距离从所述中间均匀区域4-3到所述第一边缘厚度保持区域4-1逐渐减小，并在所述第一声学黑洞区域4-2和所述第一边缘厚度保持区域4-1的交界处达到最小；

所述第二声学黑洞区域4-4的上、下表面间的距离从所述中间均匀区域4-3到所述第二边缘厚度保持区域4-5逐渐减小，并在所述第二声学黑洞区域4-4和所述第二边缘厚度保持区域4-5的交界处达到最小。

可选的，所述中间均匀区域4-3的上表面与所述上主梁2刚性连接，所述中间均匀区域4-3的下表面与所述下主梁3刚性连接。

可选的，所述ABH减振构件4的上表面与下表面中间的水平轴线为中心水平轴线，垂直于所述ABH减振构件4的上、下表面中心点的轴线为中心竖直轴线；所述ABH减振构件4的上表面到所述中心水平轴线的垂直距离为y:

其中，以所述第一边缘厚度保持区域4-1的起始端与所述中心水平轴线的交点为原点，x为所述中心水平轴线上的点到所述原点的水平距离，x₁为所述第一边缘厚度保持区域4-1的长度，x₂为所述第一声学黑洞区域4-2与所述中间均匀区域4-3的交界点到所述原点的水平距离，x₃为所述中间均匀区域4-3中所述中心竖直轴线与所述中心水平轴线的交点到所述原点的水平距离，h₁为所述第一边缘厚度保持区域4-1的上表面到所述中心水平轴线的垂直距离，h₁≥0，h₂为所述中间均匀区域4-3的上表面到所述中心水平轴线的垂直距离，k为大于0的常数，指数m≥2。

可选的，所述第一边缘厚度保持区域4-1和所述第二边缘厚度保持区域4-5为薄片型结构。

可选的，多个所述ABH减振构件4布置在所述上主梁2和所述下主梁3之间，所述ABH减振构件4与相邻的所述ABH减振构件4互不接触。

可选的，所述阻尼层5的厚度为所述第一边缘厚度保持区域4-1的上表面到所述中心水平轴线的距离h₁的1～5倍。

可选的，所述阻尼层5粘贴在所述第一边缘厚度保持区域4-1和所述第二边缘厚度保持区域4-5的上、下表面以及所述第一声学黑洞区域4-2和所述第二声学黑洞区域4-4的上、下表面。

可选的，所述阻尼层5的材质为丁基橡胶、聚氨酯泡沫和高阻尼合金之一。

根据本发明提供的内容，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的盒式减振结构利用声学黑洞效应，将主梁上的弹性波能量集中在ABH减振构件上，并利用附着在ABH减振构件上的阻尼层实现对振动能量的吸收和耗散，从而起到减振的目的，并且不需要破坏主结构的强度和刚度，在不改变原有盒式结构特点和强度的基础上实现了高效的能量吸收和减振效果，具有结构简单、鲁棒性好，减振效果优良等技术优势，在盒式结构和梁结构振动控制方面具有广泛的应用前景。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明提供的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构的示意图；

图2为本发明提供的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构中前连接构件示意图；

图3为本发明提供的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构中上主梁示意图；

图4为本发明提供的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构中下主梁示意图；

图5为本发明提供的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构中阻尼层示意图；

图6为本发明提供的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构中后连接构件示意图；

图7为本发明提供的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构中ABH减振构件示意图；

图8为本发明提供的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构中ABH减振构件截面构造示意图；

图9为本发明提供的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构的多单元排布示意图；

图10为传统盒式减振结构的示意图；

图11为本发明提供的实施例一的基于声学黑洞效应的盒式减振结构和传统盒式减振结构的阻尼特性对比图；

图12为本发明提供的实施例一的基于声学黑洞效应的盒式减振结构和传统盒式减振结构的振动特性对比图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，其包括：平行且对称设置的上主梁2和下主梁3，在上主梁2和下主梁3形成的空间两端分别设置第一连接构件1和第二连接构件6，以及至少一个排布于上主梁2和下主梁3之间且位于第一连接构件1和第二连接构件6之间的ABH减振构件4；第一连接构件1分别垂直于上主梁2和下主梁3，第二连接构件6分别垂直于上主梁2和下主梁3，ABH(acoustic black hole，声学黑洞)减振构件4的表面设置有阻尼层5。

其中，ABH减振构件4刚性连接于上主梁2和下主梁3之间，实现对上主梁2和下主梁3的连接支撑作用，以此增强盒式减振结构的强度和抗弯能力。

其中，ABH减振构件4为中空的面对称空间结构；

ABH减振构件4包括依次连接的第一边缘厚度保持区域4-1、第一声学黑洞区域4-2、中间均匀区域4-3、第二声学黑洞区域4-4、第二边缘厚度保持区域4-5；

ABH减振构件4的上表面由第一边缘厚度保持区域4-1、第一声学黑洞区域4-2、中间均匀区域4-3、第二声学黑洞区域4-4、第二边缘厚度保持区域4-5的上表面构成，ABH减振构件4的下表面由第一边缘厚度保持区域4-1、第一声学黑洞区域4-2、中间均匀区域4-3、第二声学黑洞区域4-4、第二边缘厚度保持区域4-5的下表面构成，其中，第一边缘厚度保持区域4-1、第一声学黑洞区域4-2、中间均匀区域4-3、第二声学黑洞区域4-4、第二边缘厚度保持区域4-5的上、下表面均采用刚性连接构成ABH减振构件4的上、下表面，也可以将ABH减振构件4的上、下表面进行折弯形成第一边缘厚度保持区域4-1、第一声学黑洞区域4-2、中间均匀区域4-3、第二声学黑洞区域4-4、第二边缘厚度保持区域4-5的上、下表面。

第一声学黑洞区域4-2与第二声学黑洞区域4-4关于中间均匀区域4-3的中轴面对称；

第一边缘厚度保持区域4-1与第二边缘厚度保持区域4-5关于中间均匀区域4-3的中轴面对称；

中间均匀区域4-3的上、下表面为形状大小相同且平行的长方形，中间均匀区域4-3的上、下表面之间的距离保持不变；

第一声学黑洞区域4-2的上、下表面间的距离从中间均匀区域4-3到第一边缘厚度保持区域4-1逐渐减小，并在第一声学黑洞区域4-2和第一边缘厚度保持区域4-1的交界处达到最小；

第二声学黑洞区域4-4的上、下表面间的距离从中间均匀区域4-3到第二边缘厚度保持区域4-5逐渐减小，并在第二声学黑洞区域4-4和第二边缘厚度保持区域4-5的交界处达到最小；

第一声学黑洞区域4-2和第二声学黑洞区域4-4通过变厚度的结构设计利用声学黑洞原理实现对弹性波的聚集和操控。

其中，中间均匀区域4-3的上表面与上主梁2刚性连接，中间均匀区域4-3的下表面与下主梁3刚性连接，以增强上主梁2和下主梁3的抗弯能力。

如图8所示，ABH减振构件4的上表面与下表面中间的水平轴线为中心水平轴线，垂直于ABH减振构件4的上、下表面中心点的轴线为中心竖直轴线；ABH减振构件4的上表面到所述中心水平轴线的垂直距离为y：

其中，以第一边缘厚度保持区域4-1的起始端与所述中心水平轴线的交点为原点，x为所述中心水平轴线上的点到所述原点的水平距离，x₁为第一边缘厚度保持区域4-1的长度，x₂为第一声学黑洞区域4-2与中间均匀区域4-3的交界点到所述原点的水平距离，x₃为中间均匀区域4-3中所述中心竖直轴线与所述中心水平轴线的交点到所述原点的水平距离，h₁为第一边缘厚度保持区域4-1的上表面到所述中心水平轴线的垂直距离，h₁≥0，h₂为中间均匀区域4-3的上表面到所述中心水平轴线的垂直距离，k为大于0的常数，指数m≥2。

其中，ABH减振构件4的下表面到所述中心水平轴线的垂直距离与ABH减振构件4的上表面到所述中心水平轴线的垂直距离相等。其中，第一边缘厚度保持区域4-1和第二边缘厚度保持区域4-5为薄片型结构。

如图9所示，多个ABH减振构件4布置在上主梁2和下主梁3之间，ABH减振构件4与相邻的ABH减振构件4互不接触，从而保证多个ABH减振构件4互不干涉。ABH减振构件4的排布位置和数量可根据被控结构的振动频率来确定。

其中，阻尼层5的厚度为第一边缘厚度保持区域4-1的上表面到所述中心水平轴线的距离h₁的1～5倍。

其中，阻尼层5粘贴在第一边缘厚度保持区域4-1和第二边缘厚度保持区域4-5的上、下表面的全部区域以及第一声学黑洞区域4-2和第二声学黑洞区域4-4的上、下表面的大部分区域。

其中，阻尼层5的材质为丁基橡胶、聚氨酯泡沫和高阻尼合金之一。

本发明的具体工作原理为：当外部激励作用于盒式减振结构外表面上主梁2或下主梁3时，盒式减振结构将产生振动，此时上主梁2或下主梁3结构内部将出现弹性波，弹性波通过ABH减振构件4的中间均匀区域4-3传递到ABH减振构件4的第一声学黑洞区域4-2和第二声学黑洞区域4-4，由于第一声学黑洞区域4-2和第二声学黑洞区域4-4的结构厚度逐渐减小，弹性波累积相位将逐渐增大，波速逐渐减小，当弹性波传播到在ABH减振构件4厚度最薄处，即第一边缘厚度保持区域4-1和第二边缘厚度保持区域4-5时，弹性波累积相位达到最大，波速减至最小，振动幅值达到最大，通过利用粘贴在ABH减振构件4上的阻尼层5，实现对俘获的振动能量进行耗散，从而实现对主结构的减振。

实施例一：

通过仿真手段验证本发明盒式减振结构的有效性。

1、计算模型

为保证计算模型的准确性，并提高计算效率，减少计算时间，这里采用3个ABH减振结构均匀排布于上主梁2和下主梁3中间。上主梁2和下主梁3的尺寸为300*20*3mm；前连接构件1和后连接构件6的尺寸为20*5*11mm；ABH减振构架4中间均匀区域4-3上、下表面的距离为11mm，第一边缘厚度保持区域4-1和第二边缘厚度保持区域4-2的上、下表面的距离均为0.2mm，ABH减振构架4整体长度为80mm，宽度为20mm；ABH减振构件4上下粘贴的阻尼层5的尺寸为20*20*1mm；除阻尼层5采用丁基橡胶材料外，其它各构件均使用铝材。同时为了做对比研究，设计了如图10所示的等尺寸和材料的传统盒式减振结构。

使用Abaqus对结构进行建模仿真，计算结构的阻尼和振动响应，其中，Abaqus是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题，其包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具，其除了能解决大量结构(应力/位移)问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析。

2、计算结果分析

1)阻尼特性

由图11可知，本发明实施例中基于声学黑洞效应的盒式减振结构可大幅提高结构的固有阻尼，相比传统盒式减振结构，本发明实施例中的盒式减振结构的结构模态阻尼特性得到了大部分的提升，其最大可提升180倍，这对于整个结构的振动能量耗散具有巨大的好处。

2)振动特性

由图12可知，本发明实施例中基于声学黑洞效应的盒式减振结构振动速度在全频带都得到明显降低，尤其是在1000Hz之后，本发明实施例中基于声学黑洞效应的盒式减振结构的振动速度比传统盒式减振结构的振动速度减小了30dB，减振效果十分突出特。

综上所述，本发明提供的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，有效解决了盒式结构的振动控制问题，此盒式减振结构在不改变原有盒式结构特点和强度的基础上实现了高效的能量吸收和减振效果，具有结构简单、鲁棒性好，减振效果优良等技术优势，在盒式结构和梁结构振动控制方面具有广泛的应用前景。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，其特征在于，所述盒式减振结构包括：平行且对称设置的上主梁(2)和下主梁(3)，在所述上主梁(2)和所述下主梁(3)形成的空间两端分别设置第一连接构件(1)和第二连接构件(6)，以及至少一个排布于所述上主梁(2)和所述下主梁(3)之间且位于所述第一连接构件(1)和所述第二连接构件(6)之间的ABH减振构件(4)；所述第一连接构件(1)分别垂直于所述上主梁(2)和所述下主梁(3)，所述第二连接构件(6)分别垂直于所述上主梁(2)和所述下主梁(3)，所述ABH减振构件(4)的表面设置有阻尼层(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，其特征在于，所述ABH减振构件(4)刚性连接于所述上主梁(2)和所述下主梁(3)之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，其特征在于，所述ABH减振构件(4)为中空的面对称空间结构；

所述ABH减振构件(4)包括依次连接的第一边缘厚度保持区域(4-1)、第一声学黑洞区域(4-2)、中间均匀区域(4-3)、第二声学黑洞区域(4-4)、第二边缘厚度保持区域(4-5)；

所述第一声学黑洞区域(4-2)与所述第二声学黑洞区域(4-4)关于所述中间均匀区域(4-3)的中轴面对称；

所述第一边缘厚度保持区域(4-1)与所述第二边缘厚度保持区域(4-5)关于所述中间均匀区域(4-3)的中轴面对称；

所述中间均匀区域(4-3)的上、下表面为形状大小相同且平行的长方形，所述中间均匀区域(4-3)的上、下表面之间的距离保持不变；

所述第一声学黑洞区域(4-2)的上、下表面间的距离从所述中间均匀区域(4-3)到所述第一边缘厚度保持区域(4-1)逐渐减小，并在所述第一声学黑洞区域(4-2)和所述第一边缘厚度保持区域(4-1)的交界处达到最小；

所述第二声学黑洞区域(4-4)的上、下表面间的距离从所述中间均匀区域(4-3)到所述第二边缘厚度保持区域(4-5)逐渐减小，并在所述第二声学黑洞区域(4-4)和所述第二边缘厚度保持区域(4-5)的交界处达到最小。

4.根据权利要求3所述的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，其特征在于，所述中间均匀区域(4-3)的上表面与所述上主梁(2)刚性连接，所述中间均匀区域(4-3)的下表面与所述下主梁(3)刚性连接。

5.根据权利要求3所述的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，其特征在于，所述ABH减振构件(4)的上表面与下表面中间的水平轴线为中心水平轴线，垂直于所述ABH减振构件(4)的上、下表面中心点的轴线为中心竖直轴线；所述ABH减振构件(4)的上表面到所述中心水平轴线的垂直距离为y:

其中，以所述第一边缘厚度保持区域(4-1)的起始端与所述中心水平轴线的交点为原点，x为所述中心水平轴线上的点到所述原点的水平距离，x₁为所述第一边缘厚度保持区域(4-1)的长度，x₂为所述第一声学黑洞区域(4-2)与所述中间均匀区域(4-3)的交界点到所述原点的水平距离，x₃为所述中间均匀区域(4-3)中所述中心竖直轴线与所述中心水平轴线的交点到所述原点的水平距离，h₁为所述第一边缘厚度保持区域(4-1)的上表面到所述中心水平轴线的垂直距离，h₁≥0，h₂为所述中间均匀区域(4-3)的上表面到所述中心水平轴线的垂直距离，k为大于0的常数，指数m≥2。

6.根据权利要求3所述的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，其特征在于，所述第一边缘厚度保持区域(4-1)和所述第二边缘厚度保持区域(4-5)为薄片型结构。

7.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，其特征在于，多个所述ABH减振构件(4)布置在所述上主梁(2)和所述下主梁(3)之间，所述ABH减振构件(4)与相邻的所述ABH减振构件(4)互不接触。

8.根据权利要求3所述的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，其特征在于，所述阻尼层(5)的厚度为所述第一边缘厚度保持区域(4-1)的上表面到所述中心水平轴线的距离h₁的1～5倍。

9.根据权利要求3所述的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，其特征在于，所述阻尼层(5)粘贴在所述第一边缘厚度保持区域(4-1)和所述第二边缘厚度保持区域(4-5)的上、下表面以及所述第一声学黑洞区域(4-2)和所述第二声学黑洞区域(4-4)的上、下表面。

10.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞效应的盒式减振结构，其特征在于，所述阻尼层(5)的材质为丁基橡胶、聚氨酯泡沫和高阻尼合金之一。