CN111043239A - 一种超弹低泊松比分布式胞元抑振结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超弹低泊松比分布式胞元抑振结构，包括一号框体、二号框体、插板、底板、质量元件，一号框体内设置二号框体，二号框体的长边框外表面与一号框体短边框内表面相接触，在一号框体和二号框体之间的间隙内插入有插板，插板下端面与底板固定连接，质量元件包覆于一号框体上边框内部，整个拼装件结构紧凑，相互锁止，使用时只需要将抑振结构安装在需要需作抑振处理结构表面。本发明属于噪声与振动控制技术领域，通过各个拼装部件相互配合，具有结构简单、使用方便、抑振效果好等优点。

Description

一种超弹低泊松比分布式胞元抑振结构

技术领域

本发明属于噪声与振动控制技术领域，本发明涉及一种超弹低泊松比分布式胞元抑振结构。

背景技术

低振动与低噪声是现代高性能机械工程装备的一个重要特征和发展方向。过强的振动和噪声会影响工程装备的工作性能、操作精度、生产效率，并降低运行安全性、可靠性和服役寿命。过高的噪声还会影响操作人员的环境舒适性，甚至危害人员健康。在国防工业领域，各种武器装备面临的振动与噪声问题也十分突出。剧烈的振动与噪声会降低装备的战场生存能力，降低所装载精密仪器仪表的工作精度乃至失效，从而影响装备的战技性能。因此，不管是民用领域还是国防领域，都急需宽频带、高效率的噪声振动控制新技术。

目前，较为成熟的振动与噪声控制技术有振动隔离、动力吸振、阻尼减振等。然而受附加质量、设备空间及安装工艺等限制，传统的振动控制技术对于低频波的抑制效果并不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有低频、多频带、宽带消声抑振性能的结构。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种超弹低泊松比分布式胞元抑振结构，包括一号框体，所述一号框体内设置有二号框体，所述二号框体的长边框外表面与一号框体短边框内表面相接触；所述二号框体与一号框体之间形成间隙，所述间隙内插入有插板，所述插板的尺寸与间隙的尺寸相当，所述插板在一号框体两侧对称设置为两个，所述一号框体和二号框体、插板之间围合有腔体；所述一号框体、二号框体、插板材料均为弹性阻尼材料。

优选的，两个所述插板一端的端部固定连接有底板，所述底板与一号框体长边框的外表面接触并构成需作抑振处理结构的安装面；所述弹性阻尼材料为橡胶类弹性阻尼材料。

优选的，所述一号框体短边框上设置有对穿腔体的一号通孔，所述长、短边框外表面上设置有二号通孔，所述插板上设置有对穿腔体的三号通孔；所述二号框体两相对边框上分别设置与一号通孔和三号通孔相对应的二号通孔。

优选的，所述插板远离底板的一端与顶板一体成型，所述顶板、两插板、底板构成三号框体，插板所述顶板与一号框体长边框的外表面接触。

优选的，所述一号框体、二号框体、三号框体尺寸相同，构成两两相互垂直的嵌套对称结构插板。

插板优选的，所述一号框体或二号框体边框上设置有质量元件，所述质量元件为高密度、高模量材料，如铅材料。

优选的，所述质量元件为球体状、圆柱体状、长方体状或者锥体状的其中一种。

优选的，所述一号框体1和二号框体2外轮廓尺寸为35mm×25mm ×15mm，框体厚度均为5mm。

优选的，所述橡胶类弹性阻尼材料均选用杨氏模量为3MPa、损耗因子为0.2、泊松比为0.495的橡胶。

优选的，所述的质量元件为15mm×13mm×3mm的长方体结构，所述质量元件包覆于一号框体上边框内部。

本发明基于局域共振原理的周期结构可有效抑制弹性波在其带隙频率范围内的传播，周期结构的带隙特性取决于胞元结构固有频率、等效力学参数、周期排列方式等因素。低等效泊松比胞元结构设计有助于形成带隙，高弹性胞元有助于降低带隙频率，合理的排列方式可拓宽带隙宽度。因此可通过设计超弹低泊松比局域共振结构作为胞元，周期分布以实现低频宽带消声抑振性能。

本发明具有的有益效果：所述超弹低泊松比分布式胞元抑振结构由多个拼装部件嵌套装配而成，三个框体包围形成的腔体与主体结构侧壁通孔组成弹性壁面的赫姆霍兹共振腔消声器；质量元件设置构成多模态动力吸振结构。本发明一方面，显著丰富结构振动模态，提供多个吸振频带；另一方面，在保证结构总体强度的同时有效降低单一拼装部件的刚度，有效降低单一拼装部件与质量元件所构成动力吸振器的吸振频率，实现低频吸振特性；此外，多部件嵌套装配显著降低结构泊松比，加强结构的带隙特性；框体开孔设计保证本发明在水等流体中使用时，流体能自由进出，避免限制抑振结构的变形；具有高阻尼的抑振结构贴附于待控制结构表面，产生阻尼抑振效应，提升中高频抑振性能。

附图说明

图1：本发明的超弹低泊松比分布式胞元抑振结构示意图；

图2：本发明的超弹低泊松比分布式胞元抑振结构剖视图；

图3：本发明的一号框体示意图；

图4：本发明的一号框体剖视图；

图5：本发明的二号框体示意图；

图6：本发明的插板和顶板示意图；

图7：本发明的底板示意图；

图8：本发明的另一种超弹低泊松比分布式胞元抑振结构示意图；

图9：钢制梁附加本发明的超弹低泊松比分布式胞元抑振结构阵列示意图；

图10：图9所示实施方式的抑振效果示意图。

图中：1一号框体、11一号通孔、2二号框体、21二号通孔、3插板、31三号通孔、32顶板、4底板、5质量元件。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，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。

如图1-7所示为本发明超弹低泊松比分布式胞元抑振结构示意，一号框体1框内插入有二号框体2，二号框体2的长边框外表面与一号框体1的短边框内表面接触，二号框体2的侧面与一号框体1的长边框内表面接触，此时二号框体2内框与一号框体侧面形成间隙，两个间隙内分别插有插板3，插板3和间隙的尺寸相当，插板3底部固定连接有底板4，同时底板4与一号框体1长边框外表面接触，两个插板3顶部连接有顶板32，顶板32与一号框体1长边框外表面接触，顶板32与两个插板3一体成形。

所述一号框体1和二号框体2、插板3之间围合有腔体，腔体可以是封闭结构也可以为不封闭的结构；所述一号框体1、二号框体2、插板3材料均为弹性阻尼材料。

所述一号框体1短边框上设置有对穿腔体的一号通孔11，所述插板 3上设置有对穿腔体的三号通孔31；所述二号框体2两边框上分别设置与一号通孔11和三号通孔31相对应二号通孔21。也即是一号框体1短边框上朝框内设置有一号通孔11，二号框体2长、短边框上朝框内设置有二号通孔21，插板3上设置有三号通孔31，一号通孔11和同侧的二号通孔21对应，三号通孔31和同侧的二号通孔21对应。侧壁开孔大小和个数可根据实际使用需求调整，图中只示意了一个孔的情形。

图8为本发明的另一种实施方式，一号框体1框内插入有二号框体 2，二号框体2的长边框外表面与一号框体1的短边框内表面接触，二号框体2的侧面与一号框体1的长边框内表面接触，此时二号框体2内框与一号框体侧面形成间隙，两个间隙内分别插有插板3，插板3和间隙的尺寸相当，插板3底部固定连接有底板4，同时底板4与一号框体1长边框外表面接触，插板3顶部向二号框体2短边框方向形成弯折部，其弯折部与二号框体侧面接触。一号框体1短边框上朝框内设置有一号通孔11，二号框体2长、短边框上朝框内设置有二号通孔21，插板3 上设置有三号通孔31，一号通孔11和同侧的二号通孔21对应，三号通孔31和同侧的二号通孔21对应。通孔与通孔相对应的结构，可以使得本发明的胞元放置在水体中使用时，流体能自由进出，避免限制抑振结构的变形。

更好的，所述一号框体1、二号框体2、三号框体3尺寸相同，构成两两相互垂直的嵌套对称结构。这样的结构具有加工制造简单，结构对称可靠，安装牢固稳定等技术优点。

更好的，所述一号框体1或二号框体2边框上设置有质量元件5，所述质量元件5为高密度、高模量材料，如铅材料。所述质量元件5为球体状、圆柱体状、长方体状或者锥体状的其中一种；包覆于一号框体 1或二号框体2内部，或者固定于一号框体1或二号框体2外表面，包覆于一号框体1上边框内部可构成多模态动力吸振结构。使用时只需要将整个抑振结构的主体通过底板4的底部安装在需作抑振处理结构表面即可。

图1-8中，所述底板4材料为弹性阻尼材料并构成需作抑振处理结构的安装面，所述弹性阻尼材料都有选为橡胶类弹性阻尼材料。一号框体1、二号框体2、插板3、顶板32(有无均可)及底板4嵌套装配构成抑振结构的主体，抑振结构的主体内部形成的腔体与主体结构侧壁通孔组成弹性壁面的赫姆霍兹共振腔消声器，该腔体通常是3个框体靠拢，构成两两框体之间不留可见缝隙的封闭腔体，这样有利于增加不同框体之间的摩擦，增强振动能量的耗散。

本发明是由多个零部件装配而成，是一个单体多模态结构，其特点是具有丰富的振动模态，并且其中多个振动模态参与了对被控制结构振动能量的吸收。

当结构整体上下振动时，本发明等效为一个动力吸振器，该模态的特点是结构以底部橡胶作为弹簧元件，上部结构为质量元件，实现对被控制结构振动能量的吸收。

当结构整体左右摆动时，被控制结构的振动能量会转移到本发明上的胞元上，进而通过本发明的橡胶零件变形实现对振动能量的耗散。

当结构发生剧烈的剪切变形时，橡胶的剪切变形能有效耗散结构的振动能量，实现对被控制结构振动能量的吸收。

除了上述三种典型模态外，还存在许多其它模态，这里就不一一列举了，这里要突出的就是本发明振动模态丰富，周期阵列后可产生多带隙抑振特性。此外，因为本发明主体结构为橡胶材料，橡胶材料具有较大的阻尼，另一个重要的抑振机理便是阻尼抑振，阻尼效应可有效抑制被控制结构的中高频振动。

如图9，为胞元抑振时的安装示意图，在一根1100mm×100mm×5mm 的钢制梁6上通过底板4底部粘接了11个超弹低泊松比分布式胞元抑振结构，通过11个抑振结构考察本发明的抑振效果。在本实施例中，各抑振结构中心间距为100mm，一号框体1和二号框体2外轮廓尺寸为 35mm×25mm×15mm，插板3和顶板32一体成型，组合后的外轮廓尺寸为30mm×25mm×15mm，边框厚度均为5mm，底板4尺寸为25mm×15mm ×5mm，五个拼装部件均选用杨氏模量为3MPa、损耗因子为0.2、泊松比为0.495的橡胶，质量元件材料选用铅，尺寸为15mm×13mm×3mm，抑振结构的主体侧壁通孔直径均为为6mm。经计算，本实施例所述超弹低泊松比分布式胞元抑振结构等效泊松比为0.23，远低于所选橡胶材料泊松比。

使用商业有限元分析软件COMSOL Multiphysics对图9所示结构在力激励情况下的振动响应进行仿真分析，附加超弹低泊松比分布式胞元抑振结构前后的振动响应对比曲线如图10所示。由图可见：所述超弹低泊松比分布式胞元抑振结构在整个分析频段内对钢梁均有明显的抑振量，尤其在带隙范围内，附加超弹低泊松比分布式胞元抑振结构后钢梁的振动显著降低，其中前两个带隙低至100Hz左右，对低频振动同样具有很好的抑制效果。

Claims (10)

1.一种超弹低泊松比分布式胞元抑振结构，其特征在于：包括一号框体(1)，所述一号框体(1)内设置有二号框体(2)，所述二号框体(2)的长边框外表面与一号框体(1)短边框内表面相接触；所述二号框体(2)与一号框体(1)之间形成间隙，所述间隙内插入有插板(3)，所述插板(3)的尺寸与间隙的尺寸相当，所述插板(3)在一号框体(1)两侧对称设置为两个；所述一号框体(1)和二号框体(2)、插板(3)之间围合有腔体；所述一号框体(1)、二号框体(2)、插板(3)材料均为弹性阻尼材料。

2.根据权利要求1所述的超弹低泊松比分布式胞元抑振结构，其特征在于：两个所述插板(3)一端的端部固定连接有底板(4)，所述底板(4)与一号框体(1)长边框的外表面接触，所述底板(4)材料为弹性阻尼材料并构成需作抑振处理结构的安装面；所述弹性阻尼材料为橡胶类弹性阻尼材料。

3.根据权利要求2所述的超弹低泊松比分布式胞元抑振结构，其特征在于：所述一号框体(1)短边框上设置有对穿腔体的一号通孔(11)，所述插板(3)上设置有对穿腔体的三号通孔(31)；所述二号框体(2)两边框上分别设置与一号通孔(11)和三号通孔(31)相对应二号通孔(21)。

4.根据权利要求3所述的超弹低泊松比分布式胞元抑振结构，其特征在于：所述插板(3)远离底板(4)的一端与顶板(32)一体成型，所述顶板(32)、两插板(3)、底板(4)构成三号框体，所述顶板(32)与一号框体(1)长边框的外表面接触。

5.根据权利要求4所述的超弹低泊松比分布式胞元抑振结构，其特征在于：所述一号框体(1)、二号框体(2)、三号框体尺寸相同，构成两两相互垂直的嵌套对称结构插板。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的超弹低泊松比分布式胞元抑振结构，其特征在于：所述一号框体(1)或二号框体(2)边框上设置有质量元件(5)，所述质量元件(5)为高密度、高模量材料。

7.根据权利要求6所述的超弹低泊松比分布式胞元抑振结构，其特征在于：所述质量元件(5)为球体状、圆柱体状、长方体状或者锥体状的其中一种；包覆于一号框体(1)或二号框体(2)内部，或者固定于一号框体(1)或二号框体(2)外表面。

8.根据权利要求6所述的超弹低泊松比分布式胞元抑振结构，其特征在于：所述一号框体(1)和二号框体(2)外轮廓尺寸为35mm×25mm×15mm，框体厚度均为5mm。

9.根据权利要求6所述的超弹低泊松比分布式胞元抑振结构，其特征在于：所述橡胶类阻尼材料为杨氏模量为3MPa、损耗因子为0.2、泊松比为0.495的橡胶。

10.根据权利要求6所述的超弹低泊松比分布式胞元抑振结构，其特征在于：所述的质量元件(5)为15mm×13mm×3mm的长方体结构，所述质量元件(5)包覆于一号框体(1)上边框内部。

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