CN110953292A - 一种具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构 - Google Patents

一种具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构 Download PDF

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    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

一种具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，包括环状的基础框板，中心质量柱沿轴向穿过基础框板，中心质量柱由中部质量柱和对称连接在中部质量柱两端的伞状质量柱组成，中部质量柱的侧面通过薄带结构与基础框板的内壁相连接，两个伞状质量柱分别位于基础框板的上下方，基础框板、薄带结构和中心质量柱均采用相同的单一材料。发明在尺寸相同情况下质量更轻，并可产生超低频带隙特性，对弹性波具有可控制的带隙范围。其带隙可通过调整中心质量柱高度，薄带结构的水平宽度以及基础框板的壁厚进行调节。相对于布拉格散射类型板类结构具有良好的加工制造以及低成本优势。本发明可用于精密仪器减振，对重要结构进行针对低频振动的有效保护。

Description

一种具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构
技术领域
本发明属于减振技术领域，特别涉及一种具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构。
背景技术
建筑、道路及桥梁建设在给人们生活带来便利的同时，建设施工引起的振动则会干扰相邻地区精密仪器及高精度设备的正常使用，影响正常的科研及工业工作的展开。目前，对由于建设施工等产生的振动的级别以及噪声的评级和研究不够全面，超低频微振动对精密仪器与设备的影响研究则更少，也没有高效率的减少低频微振动的减振装置。精密仪器和设备的减振隔振措施较为单一，对于超低频段的减振效果极为有限，无法满足精密仪器及设备在振动环境下的正常使用。
新型局域共振弹性超材料板类结构就是应用特殊结构设计弹性超材料超低频减振板类结构，弹性超材料理论是声子晶体理论范畴中局域共振型声子晶体延伸而来，突破了声子晶体理论下结构的限制，继承了其带隙的特性。已有文献通过研究在板上打孔，进而添加局域共振子的方式来降低板类结构的振动，对于局域共振子，大多为两种或者多种材料构成，对于这类方法，虽然结构产生低频禁带，但是其加工难度以及制造成本会随之上升。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，具有优异的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：
一种具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，包括环状的基础框板1，中心质量柱3沿轴向穿过基础框板1，中心质量柱3由中部质量柱和对称连接在中部质量柱两端的伞状质量柱组成，中部质量柱的侧面通过薄带结构2与基础框板1的内壁相连接，两个伞状质量柱分别位于基础框板1的上下方。
所述基础框板1截面为环状的正方形，薄带结构2为十字交叉结构，分别连接在基础框板1的内壁中心与中部质量柱的外壁。
所述中部质量柱和伞状质量柱的截面均为圆形，二者以同轴心方式相连接，伞状质量柱的半径为中部质量柱半径的10/3倍，伞状质量柱的轴向高度为中部质量柱轴向高度的0.5倍。
所述中部质量柱的截面半径为1.5mm，中部质量柱的轴向高度为6mm，伞状质量柱的截面半径为5mm，单个伞状质量柱的轴向高度为2mm，基础框板1的截面为边长10mm的正方形，框板轴向高度为2mm，框板壁厚0.5mm，薄带结构2带宽0.5mm，轴向高度2mm，相邻两薄带之间夹角θ＝90°。
所述中部质量柱的轴向高度大于基础框板1和薄带结构2的轴向高度。
所述基础框板1、薄带结构2和中心质量柱3均采用相同的单一材料。
所述基础框板1、薄带结构2和中心质量柱3整体形成对称结构。
所述薄带结构2连接基础框板1与中部质量柱，且基于中部质量柱为轴心同角度对称分布结构。
与现有技术相比，本发明局域共振弹性超材料板类结构具有比传统隔振板类结构在相同尺寸上质量更轻，并且可以产生超低频带隙特性，对弹性波具有可控制的带隙范围。其带隙可以通过调整整中心质量柱高度，薄带结构的水平宽度以及基础框板的壁厚来进行调节。并且本结构采用单一材料，相比于其他通过在板体上打孔添加局域共振子的声子晶体结构，本发明局域共振弹性超材料板类结构具有良好的加工制造优势，以及低成本优势。
本发明局域共振弹性超材料板类结构在精密仪器保护中有潜在的应用价值，可以对精密仪器受到的超低频振动进行有效控制。
附图说明
图1为本发明新型局域共振弹性超材料板类结构单胞的结构示意图。
图2为本发明新型局域共振弹性超材料板类结构单胞的能带图。
图3为本发明新型局域共振弹性超材料板类结构的结构图。
图4是本发明新型局域共振弹性超材料板类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所示，一种具有超低频减振特性的新型局域共振弹性超材料板类结构，包括环状的基础框板1和从其轴心穿过的中心质量柱3，基础框板1的内壁和中心质量柱3外侧壁之间以薄带结构2连接，基础框板1、薄带结构2和中心质量柱3均采用相同的单一材料。
在本实施例中，基础框板1为截面为正方形中心无材料的框板结构，薄带结构2连接基础框板1与中心质量柱3，且基于中心质量柱3为轴心同角度对称分布结构，整体形成十字交叉的对称结构。
具体而言，中心质量柱3由在基础框板1中的中部质量柱与位于基础框板1外部上下方且对称分布的伞状质量柱组成，中部质量柱与薄带结构2相连接，并与伞状质量柱以同轴心方式相连接，中部质量柱截面为圆形，对称伞状质量柱截面也为圆形。
本发明中，中部质量柱的轴向高度需大于基础框板1和薄带结构2的轴向高度，且伞状质量柱截面为基础框板1的内切圆。
本发明的实施例中，中心质量柱3的中部质量柱的圆柱半径为1.5mm，中部质量柱的圆柱高度为6mm，对称伞状质量柱的圆柱半径为5mm，单边伞状质量柱高度为2mm，基础框板1的正方形截面边长为10mm，框板轴向高度为2mm，框板壁厚0.5mm，薄带结构2带宽0.5mm，轴向高度2mm，相邻两薄带之间夹角θ＝90°
本发明使用硅橡胶作为结构的整体材料，具体材料参数为：密度ρ＝1300kg/m3、剪切模量E＝1.175×105Pa、泊松比μ＝0.469。从图2中可以看出结构在0-70Hz区间内存在带隙，其中带隙为35-45Hz。
本发明新型局域共振弹性超材料板类结构是由新型局域共振弹性超材料板类结构单胞通过向平行于板面的两个相互垂直方向上延拓得到的，如图3所示。
参考图3和图4，图3中A处代表响应，B处为纵向激励点，C处为弯曲、扭转激励点，图4是由7X7单胞延拓所构成的半无限周期结构的传输谱。可以看到频率域内出现振动衰减低于0dB的区域，可对应能带结构中的超低频带隙。需要注意的是，在传输特性的模拟过程中，采取了三种激励方式，即纵向激励、弯曲激励和扭转激励，所以从传输谱中得到的是三种激励方式下的带隙，其范围比能带结构中的完全带隙要宽，但与能带结构中的完全带隙是相互对应的。
可见，采用本发明新型局域共振弹性超材料板类结构，可以使板类结构产生低频带隙，对板类结构的超低频振动进行有效的控制。
因此本发明局域共振弹性超材料板类结构可以应用于精密机械仪器以及设备的减震隔振，可以保护精密仪器以及设备在超低频振动时，正常使用。
本发明比传统板类结构在尺寸相同情况下质量更轻，并且可以产生超低频带隙特性，对弹性波具有可控制的带隙范围。其带隙可通过调整中心质量柱高度，薄带结构的水平宽度以及基础框板的壁厚来进行调节。相对于布拉格散射类型板类结构具有良好的加工制造以及低成本优势。本发明在精密仪器减振上有潜在优势，可以对重要结构进行针对低频振动的有效保护。

Claims (9)

1.一种具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，包括环状的基础框板(1)，其特征在于，中心质量柱(3)沿轴向穿过基础框板(1)，中心质量柱(3)由中部质量柱和对称连接在中部质量柱两端的伞状质量柱组成，中部质量柱的侧面通过薄带结构(2)与基础框板(1)的内壁相连接，两个伞状质量柱分别位于基础框板(1)的上下方。
2.根据权利要求1所述具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，其特征在于，所述基础框板(1)截面为环状的正方形，薄带结构(2)为十字交叉结构，分别连接在基础框板(1)的内壁中心与中部质量柱的外壁。
3.根据权利要求1或2所述具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，其特征在于，所述中部质量柱和伞状质量柱的截面均为圆形，二者以同轴心方式相连接，伞状质量柱的半径为中部质量柱半径的10/3倍，伞状质量柱的轴向高度为中部质量柱轴向高度的0.5倍。
4.根据权利要求3所述具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，其特征在于，所述中部质量柱的截面半径为1.5mm，中部质量柱的轴向高度为6mm，伞状质量柱的截面半径为5mm，单个伞状质量柱的轴向高度为2mm，基础框板(1)的截面为边长10mm的正方形，框板轴向高度为2mm，框板壁厚0.5mm，薄带结构(2)带宽0.5mm，轴向高度2mm，相邻两薄带之间夹角θ＝90°。
5.根据权利要求1所述具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，其特征在于，所述中部质量柱的轴向高度大于基础框板(1)和薄带结构(2)的轴向高度。
6.根据权利要求1所述具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，其特征在于，所述基础框板(1)、薄带结构(2)和中心质量柱(3)均采用相同的单一材料。
7.根据权利要求1所述具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，其特征在于，所述基础框板(1)、薄带结构(2)和中心质量柱(3)整体形成对称结构。
8.根据权利要求1所述具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，其特征在于，所述薄带结构(2)连接基础框板(1)与中部质量柱，且基于中部质量柱为轴心同角度对称分布结构。
9.根据权利要求1所述具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，其特征在于，所述伞状质量柱的截面圆形为基础框板(1)截面形状的内切圆。
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