CN109630580B - 一种具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构 - Google Patents

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Abstract

一种具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构，包括沿径向方向周期排列的镂空环形结构，所述环形结构包括纵向截面为八边形的外壳结构，外壳结构中设置有中间环形圆柱、环形连接块一和环形连接块二，其中中间环形圆柱位于外壳结构中且与外壳结构同圆心，环形连接块一和环形连接块二用于连接中间环形圆柱和外壳结构。本发明弹性超材料轮盘结构具有比传统声子晶体结构更低的带隙特性，以及单一材料对其加工制造的便利。并且其带隙可以通过调整环形圆柱的半径以及八边形外壳的壁厚和连接块的位置以及厚度进行调节。本发明弹性超材料轮盘结构在精密机械仪器上有潜在的应用，可以对轮盘结构的中低频振动进行有效控制。

Description

一种具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，特别涉及一种具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构。
背景技术
广泛应用在工业机械中的轮盘类结构通常是振动能量的载体或者传播体，其结构形式、动态特性及动态激励力的传递方式，对整个系统的振动与噪声有重要影响。特别是精密仪器中，轮盘类结构的振动是一个非常典型的问题，会影响机械系统的精度和可靠性以及减少结构的使用寿命。对于目前来说，轮盘类结构的振动与噪声控制通常采用传统方法，例如提高加工精度或者增加阻尼装置来降低振动和噪声。但是这样必然会增加加工难度以及制造成本的上升，并且对振动的传播不能有效的控制。
弹性超材料，是声子晶体理论的一个引申。通过对结构以及材料的设计来调控弹性波使其落在带隙内，从而达到对弹性波的传播抑制。已有文献通过对两种或者多种材料设计的元胞结构，达到了低频带隙特性，但是对于两种或者多种材料设计的结构在现阶段的加工制造上还不能完全实现，并且两种或者多种材料设计的结构很难在强度和刚度上满足工业要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，通过对元胞结构的构思以及设计，本发明的目的在于提供一种具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构，具有优异的中低频振动带隙特性以及良好的加工制造条件
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构，包括沿径向方向周期排列的镂空环形结构，所述环形结构包括纵向截面为八边形的外壳结构1，外壳结构1中设置有中间环形圆柱2、环形连接块一3和环形连接块二4，其中中间环形圆柱2位于外壳结构1中且与外壳结构1同圆心，环形连接块一3和环形连接块二4用于连接中间环形圆柱2和外壳结构1。轮盘结构的外尺寸大小通过改变径向方向的镂空环形结构的数量来改变。
所述外壳结构1的纵向截面为正八边形。优选地，所述外壳结构1最外层对边距离为20mm，外壳壁厚1mm，中间环形圆柱2的截面半径为4mm，环形连接块一3和环形连接块二4的连接块厚度为0.5mm。
所述环形连接块一3的上边与外壳结构1的顶边连接，下边与中间环形圆柱2相切连接，所述环形连接块二4的上边与中间环形圆柱2相切连接，下边与外壳结构1的底边连接，环形连接块一3和环形连接块二4分别位于中间环形圆柱2的两侧。
所述环形连接块一3的上边连接在外壳结构1的顶边中心，所述环形连接块二4的下边连接在外壳结构1的底边中心。
所述环形连接块一3和环形连接块二4均为倾斜结构，且二者上下中心对称分布。
所述中间环形圆柱2在外壳结构1的中心位置。
所述外壳结构1、中间环形圆柱2、环形连接块一3和环形连接块二4为单一材料。
与现有技术相比，本发明弹性超材料轮盘结构具有比传统基于Bragg机制的声子晶体轮盘结构更低的带隙特性，并且对于弹性波具有可控制的带隙范围。其带隙可以通过调整环形圆柱的半径以及八边形外壳的壁厚和连接块的位置以及厚度进行调节。相比于两种或者多种材料的结构，本发明单一材料的弹性超材料轮盘结构在现有3D打印技术下可以实现其的加工制造。并且本发明在弹性超材料轮盘结构在精密机械仪器上有着潜在的应用价值，可以对轮盘类结构的中低频振动进行有效控制。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明单个镂空环形结构的纵截面示意图。
图3是本发明三维实体的二维结构旋转示意图。
图4是本发明弹性超材料轮盘结构的能带图。
图5是本发明弹性超材料轮盘结构的频响函数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1、图2和图3所示，本发明弹性超材料轮盘结构的一种实施方法，镂空环形结构沿径向方向5个周期结构的排列。环形结构1的纵向截面为正八边形，内部为中间环形圆柱2、环形连接块一3和环形连接块二4，环形连接块一3和环形连接块二4中心对称分布。其中环形结构1最外层对边距离为20mm，外壳壁厚1mm，中间环形圆柱2的截面半径为4mm，连接块厚度为0.5mm。本发明中使用环氧树脂作为结构的整体材料，具体的材料参数为：密度ρ＝1180kg/m3、剪切模量E＝1.59×109Pa、泊松比μ＝0.37。从图4以及图5可以看出结构有两个完全带隙，其中第一完全带隙：886-1146Hz，第二完全带隙：2150-4165Hz。
可见，采用本发明的结构，可以使得轮盘类结构产生中低频带隙，从而在结构上对轮盘类结构的振动和噪声进行有效的控制。
因此本发明弹性超材料轮盘结构可以应用于精密机械仪器以及智能仪器，在精密机械仪器以及智能仪器中，轮盘类结构的振动会影响其工作的精度和结构整体的可靠性。

Claims (9)

1.一种具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构，其特征在于，包括沿径向方向周期排列的镂空环形结构，所述镂空环形结构包括纵向截面为八边形的外壳结构(1)，外壳结构(1)中设置有中间环形圆柱(2)、环形连接块一(3)和环形连接块二(4)，其中中间环形圆柱(2)位于外壳结构(1)中且与外壳结构(1)同圆心，环形连接块一(3)和环形连接块二(4)用于连接中间环形圆柱(2)和外壳结构(1)。
2.根据权利要求1所述具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构，其特征在于，所述外壳结构(1)的纵向截面为正八边形。
3.根据权利要求2所述具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构，其特征在于，所述外壳结构(1)最外层对边距离为20mm，外壳壁厚1mm，中间环形圆柱(2)的截面半径为4mm，环形连接块一(3)和环形连接块二(4)的连接块厚度为0.5mm。
4.根据权利要求1或2或3所述具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构，其特征在于，所述环形连接块一(3)的上边与外壳结构(1)的顶边连接，下边与中间环形圆柱(2)相切连接，所述环形连接块二(4)的上边与中间环形圆柱(2)相切连接，下边与外壳结构(1)的底边连接，环形连接块一(3)和环形连接块二(4)分别位于中间环形圆柱(2)的两侧。
5.根据权利要求4所述具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构，其特征在于，所述环形连接块一(3)的上边连接在外壳结构(1)的顶边中心，所述环形连接块二(4)的下边连接在外壳结构(1)的底边中心。
6.根据权利要求4所述具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构，其特征在于，所述环形连接块一(3)和环形连接块二(4)均为倾斜结构，且二者上下中心对称分布。
7.根据权利要求1所述具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构，其特征在于，所述中间环形圆柱(2)在外壳结构(1)的中心位置。
8.根据权利要求1所述具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构，其特征在于，所述外壳结构(1)、中间环形圆柱(2)、环形连接块一(3)和环形连接块二(4)为单一材料。
9.根据权利要求1所述具有中低频减振特性的弹性超材料轮盘结构，其特征在于，轮盘结构的外尺寸大小通过改变径向方向的镂空环形结构的数量来改变。
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