CN110529539B - 一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构 - Google Patents
一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，该周期结构包括板基体，以及按照周期性或者拟周期性排列在所述板基体上凸起设置的m行n列的双稳态NES；其中双稳态NES由两个弹簧、一个阻尼器和一个小质量块组成；每个弹簧通过刚性固定端与板基体固结在一起；刚性固定端的轴线垂直于板基体的表面，弹簧一端与刚性固定端相连，另一端与小质量块相连；阻尼器一端与小质量块相连，另一端与板基体表面相连。与传统的隔振吸振结构相比，这种带有双稳态非线性能量阱的周期结构具有附加质量小、振动抑制频带宽、可完成定向靶能量传递、可靠性高、鲁棒性强、无需外界提供能源等优点，在冲击与冲击波防护领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种周期结构,特别是涉及一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构。属于振动、冲击以及冲击防护材料制造的技术领域。
背景技术
周期结构，又称声子晶体，声子晶体的概念由光子晶体衍生而来，在声子晶体中，弹性常数和密度不同的材料周期的进行排列,相互之间连通的材料称为基体,不连通的材料称为散射体。振动通常是以弹性波的形式在周期结构中传播，弹性波带隙又可称为振动带隙。周期结构的弹性波带隙可用于减振，一方面可以为高精度加工系统提供一定频率范围内的无振动加工环境，保证较高的加工精度要求；另一方面可以为特殊精密仪器或设备提供一定频率范围内的无振动工作环境，提高工作精度和可靠性，同时延长其使用寿命。
非线性能量阱(nonlinear energy sink，NES)的概念提出于2000年左右，它是在动力吸振器的基础上发展出来的。线性动力吸振器需要与主结构发生共振以实现减振，这导致其只能应用于振动频率变化较小的设备。弱非线性动力吸振器能够在一定程度上拓宽减振频带，然而它仍然只能从某一特定频带吸收振动能量。半主动式、主动式和混合式吸振器设计，使动力吸振器具有频率跟踪或多频带减振能力，然而这些方案需要额外的能源装置和控制器，因此其应用存在很大局限性。非线性能量阱是一种具有纯非线性刚度的吸振器，由于具有宽频吸振、轻质等优点，吸引了大量研究者的关注。而双稳态NES中特有的稳态跃迁能够提高高效靶能量传输的作用范围。NES结构及其TET机理的研究为设计具有冲击波调控特性的超材料结构奠定了理论基础，有望为舰船、装甲等重要装备的冲击与冲击波防护提供技术支撑。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，通过在基体板上周期性设置双稳态非线性能量阱，从而实现对瞬态冲击能量的抑制和吸收。
技术方案：本发明是一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，该周期结构包括板基体，以及按照周期性或者拟周期性排列在所述板基体上凸起设置的m行n列的双稳态NES；其中双稳态NES由两个弹簧、一个阻尼器和一个小质量块组成；每个弹簧通过刚性固定端与板基体固结在一起；刚性固定端的轴线垂直于板基体的表面，弹簧一端与刚性固定端相连，另一端与小质量块相连；阻尼器一端与小质量块相连，另一端与板基体表面相连。
所述弹簧轴线与水平线之间的角度为θ，当|θ|为某一大于0°的角度时，两弹簧处于自由长度l0，此时该结构整体处于平衡状态；当θ＝0°时，两弹簧长度为l，l＜l0，此时两弹簧处于压缩状态，结构整体处于不平衡状态。
所述的双稳态NES和凸起设置的由软材料和硬材料堆叠成的散射体振子在基体板上为单侧或者双侧布置。
所述的双稳态NES的小质量块为圆柱形，长方体形或者球形；刚性固定端的形状为圆柱形或者长方体形。
所述的软材料和硬材料的形状相同或不同，为圆柱形或长方体形。
所述基体板双稳态NES的小质量块以及软材料、硬材料的厚度相同或不同。
所述的m行n列的双稳态NES组成周期结构的最小的重复单元叫做单胞，各单胞之间的排列形状是正方形，正三角形或其他多边形。
所述基体板的材料是金属、混凝土、陶瓷、纤维增强复合材料或橡胶或聚氨酯材料。
所述软材料是橡胶或聚氨酯等高分子材料；硬材料和双稳态NES的小质量块的材料是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1)该周期结构相对于其他冲击能量吸收器件尺寸小，造价低。同时制作方便，便于标准化生产。
2)大型机械在复杂的动力学环境中往往会出现宽频特征。以往针对宽频结构的振动控制，主要应用主被动一体化隔振技术。然而，对于具有宽频特征的振动控制机构，主被动一体化振动控制技术很难适应复杂工况。而双稳态NES中特有的稳态跃迁能够提高高效靶能量传输的作用范围。同时具有附加质量小、振动抑制频带宽、可完成定向靶能量传递、可靠性高、鲁棒性强、无需外界提供能源等优点。
附图说明
图1为本发明双稳态NES的小质量块为球形的周期结构图；
图2为本发明图1周期结构的单胞图；
图3为本发明双稳态NES的小质量块为长方体形的周期结构图；
图4为本发明双层布置的双稳态NES的小质量块为球形的周期结构图；
图5为本发明周期结构按照正三角形排列的俯视图；
图6为本发明在基体板和双稳态NES之间还设置有圆柱形振子的周期结构图；
图7为本发明图6周期结构的单胞图；
图8为本发明双稳态NES的平面结构示意图。
图中有：板基体 1、双稳态非线性能量阱 2、弹簧 2-1、阻尼器 2-2、小质量块 2-3、刚性固定端 3、软材料层 4、硬材料层 5。
具体实施方式
本发明的实施方法如下：
该周期结构包括板基体，以及按照周期性或者拟周期性排列在所述板基体上凸起设置的m行n列的双稳态NES；其中双稳态NES由两个弹簧、一个阻尼器和一个小质量块组成；每个弹簧通过刚性固定端与板基体固结在一起；刚性固定端的轴线垂直于板基体的表面，弹簧一端与刚性固定端相连，另一端与小质量块相连；阻尼器一端与小质量块相连，另一端与板基体表面相连。
m行n列的双稳态非线性能量阱按照周期性或者拟周期性排列设置在基体板上；也可以在基体板和每个双稳态非线性能量阱之间设置由一层软材料和硬材料堆叠成的振子。双稳态非线性能量阱和振子可以在基体板的单侧或者双侧布置。周期结构各个单胞之间排列的形状可以是正方形，三角形或其他多边形。基体板的材料可以是金属、混凝土、陶瓷、纤维增强复合材料或橡胶、聚氨酯等材料。软材料可以是橡胶或聚氨酯等高分子材料。硬材料和双稳态非线性能量阱的小质量块的材料可以是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料等。
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
如图1、2、8所示，本实施例为一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构。图1在基体板的一侧设置m行n列的双稳态非线性能量阱，各单胞之间采用正方形晶格的排列方式，晶格常数设置为a1。双稳态NES的小质量块为球形，图2双稳态非线性能量阱由弹簧、阻尼器和一个小质量块组成。
实施例2：
如图3、8所示，本实施例为一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构。图3在基体板的一侧设置m行n列的双稳态非线性能量阱，各单胞之间采用正方形晶格的排列方式，晶格常数设置为a1。双稳态NES的小质量块为长方体形。双稳态非线性能量阱由弹簧、阻尼器和一个小质量块组成。
实施例3：
如图4、8所示，本实施例为一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构。图4在基体板的两侧设置m行n列的双稳态非线性能量阱，各单胞之间采用正方形晶格的排列方式，晶格常数设置为a1。双稳态NES的小质量块为球形。双稳态非线性能量阱由弹簧、阻尼器和一个小质量块组成。
实施例4：
如图2、5、8所示，本实施例为一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构。图5在基体板的一侧凸起设置m行n列的双稳态非线性能量阱，各单胞之间采用正三角形晶格的排列方式，晶格常数设置为a2。双稳态NES的小质量块为球形。双稳态非线性能量阱由弹簧、阻尼器和一个小质量块组成。
实施例5：
如图6、7、8所示，本实施例为一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构。图6在基体板的一侧凸起设置m行n列的由一层软材料和硬材料堆叠成的振子，再在每个振子上设置一个双稳态非线性能量阱，各单胞之间采用正方形晶格的排列方式，晶格常数设置为a1。振子的形状为圆柱形而双稳态NES的小质量块为球形。双稳态非线性能量阱由弹簧、阻尼器和一个小质量块组成。
通过设置这样的双稳态NES，在结构中耦合了非线性能量阱和负刚度能量阱，并设计成一种亚波长的周期结构。双稳态NES中特有的稳态跃迁能够提高高效靶能量传输的作用范围，结构中的瞬态冲击能量会通过被动受控空间传输的方式局部化到非线性附加质量上，从而高效抑制基体结构的瞬态振动。NES结构及其TET机理的研究为设计具有冲击波调控特性的超材料结构奠定了理论基础，有望为舰船、装甲等重要装备的冲击与冲击波防护提供技术支撑。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，其特征在于，该周期结构包括板基体(1)，以及按照周期性或者拟周期性排列在所述板基体(1)上凸起设置的m行n列的双稳态NES(2)；其中双稳态NES(2)由两个弹簧(2-1)、一个阻尼器(2-2)和一个小质量块(2-3)组成；每个弹簧(2-1)通过刚性固定端(3)与板基体(1)固结在一起；刚性固定端(3)的轴线垂直于板基体(1)的表面，弹簧(2-1)一端与刚性固定端(3)相连，另一端与小质量块(2-3)相连；阻尼器(2-2)一端与小质量块(2-3)相连，另一端与板基体(1)表面相连；
所述弹簧(2-1)轴线与水平线之间的角度为θ，当|θ|为某一大于0°的角度时，两弹簧(2-1)处于自由长度l0，此时该结构整体处于平衡状态；当θ＝0°时，两弹簧(2-1)长度为l，l<l0，此时两弹簧(2-1)处于压缩状态，结构整体处于不平衡状态；
所述板基体(1)上先在板上凸起设置m行n列的由一层软材料(4)和一层硬材料(5)堆叠成的振子，再在每个振子上设置双稳态NES(2)，并通过刚性固定端(3)固结。
2.根据权利要求1所述的一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，其特征在于，所述的双稳态NES(2)和凸起设置的由软材料(4)和硬材料(5)堆叠成的散射体振子在板基体(1)上为单侧或者双侧布置。
3.根据权利要求1所述的一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，其特征在于，所述的双稳态NES(2)的小质量块(2-3)为圆柱形，长方体形或者球形；刚性固定端(3)的形状为圆柱形或者长方体形。
4.根据权利要求1所述的一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，其特征在于，所述的软材料(4)和硬材料(5)的形状相同或不同，为圆柱形或长方体形。
5.根据权利要求1所述的一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，其特征在于，所述板基体(1)、双稳态NES(2)的小质量块(2-3)以及软材料(4)、硬材料(5)的厚度相同或不同。
6.根据权利要求1所述的一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，其特征在于，所述的m行n列的双稳态NES(2)组成周期结构的最小的重复单元叫做单胞，各单胞之间的排列形状是正方形，正三角形或其他多边形。
7.根据权利要求1所述的一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，其特征在于，所述板基体(1)的材料是金属、混凝土、陶瓷、纤维增强复合材料或橡胶或聚氨酯材料。
8.根据权利要求1所述的一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，其特征在于，所述软材料(4)是橡胶或聚氨酯等高分子材料；硬材料(5)和双稳态NES(2)的小质量块(2-3)的材料是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料。
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