CN111120572B - 一种超低频扭转减振超材料 - Google Patents

一种超低频扭转减振超材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超低频扭转减振超材料，包括多个元胞，所述多个元胞沿轴线方向等间距的排列，所述元胞包括环状的外壳、第一瓦型永磁铁组、第二瓦型永磁铁组、柔性杆、共振质量块以及片簧组，所述第一瓦型永磁铁组包括多个外圈瓦型永磁铁，所述外圈瓦型永磁铁沿外壳的周向分别并与外壳的内侧壁连接，所述第二瓦型永磁铁组包括多个内圈瓦型永磁铁，所述内圈瓦型永磁铁圆周的嵌入共振质量块内，所述第一瓦型永磁铁组与第二瓦型永磁铁组的永磁铁分别两两构成一对磁极对，所述共振质量块安装于柔性杆上，且共振质量块通过片簧组与外壳连接。本发明能够实现超低的局域共振带隙，从而实现对低频超低频扭转振动的抑制和衰减。

Description

一种超低频扭转减振超材料
技术领域
本发明属于减振超材料领域，具体公开了一种超低频扭转减振超材料。
技术背景
传统的减振技术发展已经较为成熟，随着超材料技术的不断发展，新的振动抑制和消除手段不断涌现。减振超材料的减振机理是通过其带隙特征实现的，在带隙频带范围内，机械波的传递将被吸收和阻断，从而实现减振作用。带隙的形成机制包括了布拉格散射机理和局域共振机理，布拉格散射形成的带隙与单胞尺寸密切相关，且其波长的抑制与其单胞尺度在一个数量级，因此如果通过布拉格散射来获得低频带隙，将导致异常庞大的晶格尺寸，因此在实际中受到了巨大的局限。而通过局域共振获得低频带隙，其带隙频率与元胞共振的频率基本一致，这为低频减振提供了良好的思路和途径。虽然大量的声学减振超材料被提出，但由于其带隙频率都在数百赫兹，甚至在数千赫兹，显然并不适用于低频超低频减振。专利CN105882022 B提出了一种低频减振超材料复合阻尼板，其原理也是通过在复合阻尼板中布置大量的局域共振元胞，通过局域共振元胞的共振质量发生共振，并且粘弹性薄膜阻尼层将振动能耗散，从而实现振动的衰减。但是受限于中间层刚度的制约，局域共振元胞的低固有频率很难实现。因此对于低频、超低频的振动衰减依然十分困难。同时，实现减振超材料的低频超低频带隙和超低频减振依然是减振超材料公认和急需解决的难题。
发明内容
本发明为了解决目前低频减振超材料的不足之处，提供了一种超低频扭转减振超材料，该扭转减振超材料其元胞采用正负刚度并联的原理，使得局域共振元胞具有极低的固有频率，从而实现超低的局域共振带隙，从而实现对低频超低频扭转振动的抑制和衰减。其具体技术方案如下：
一种超低频扭转减振超材料，包括多个元胞，所述多个元胞沿轴线方向等间距的排列，所述元胞包括环状的外壳、第一瓦型永磁铁组、第二瓦型永磁铁组、柔性杆、共振质量块以及片簧组，所述第一瓦型永磁铁组包括多个外圈瓦型永磁铁，所述外圈瓦型永磁铁沿外壳的周向分布并与外壳的内侧壁连接，所述第二瓦型永磁铁组包括多个内圈瓦型永磁铁，所述内圈瓦型永磁铁圆周地嵌入共振质量块内，所述第一瓦型永磁铁组与第二瓦型永磁铁组的永磁铁分别两两构成一对磁极对，所述共振质量块安装于柔性杆上，且共振质量块通过片簧组与外壳连接。
进一步的，所述片簧组包括至少两片片簧，所述片簧沿共振质量块等间距圆周分布。
进一步的，所述外圈瓦型永磁铁的数量为4个，所述内圈瓦型永磁铁的数量为4个。
进一步的，所述外圈瓦型永磁铁的磁化方向沿外壳的径向指向圆心；所述内圈瓦型永磁铁的磁化方向沿共振质量块的径向背离圆心。
进一步的，所述磁极对的磁化方向互斥。
进一步的，所述磁极对所包含的两个永磁铁的中心线位于同一径向方向上。
进一步的，所述柔性杆的数量为两根，两根柔性杆沿共振质量块的垂向中心线对称分布。
进一步的，所述柔性杆的数量为四根，四根柔性杆呈正方形排列且该正方形的中心点与共振质量块的垂向中心线共线。
有益效果：在本发明中每一对磁极对互相排斥，在磁极对圆周的切线方向形成负刚度特性，每一个磁极对与各个片簧之间都是并联关系，从而使得扭转振子呈现超低刚度状态，从而使得元胞呈现极低的固有频率，因此可以实现扭转减振超材料的超低频带隙，从而实现对低频超低频扭转振动的有效衰减。
附图说明
图1是本发明所提供的超低频扭转减振超材料的外观示意图；
图2是本发明所提供的超低频扭转减振超材料的A-A剖视图和B-B剖视图；
图3是本发明所提供的超低频扭转减振超材料元胞的三维结构图。
附图标记：1-第一片簧；2-第一瓦型永磁铁；3-第五瓦型永磁铁；4-第二瓦型永磁铁；5-第六瓦型永磁铁；6-第七瓦型永磁铁；7-第三瓦型永磁铁；8-第八瓦型永磁铁；9-第四瓦型永磁铁；10-柔性杆；11-共振质量块；12-外壳；13-第二片簧；14-第三片簧；15-第四片簧。
具体实施方式
以下结合图1-3对本发明所提出的超低频扭转减振超材料的结构和工作原理进行详细说明。
如图2所示，一种超低频扭转减振超材料，包括多个沿轴线方向等间距排列的元胞，如图1和图3所示，所述元胞包括环状的外壳12、第一瓦型永磁铁组、第二瓦型永磁铁组、柔性杆10、共振质量块11以及片簧组，所述第一瓦型永磁铁组包括第一瓦型永磁铁2、第二瓦型永磁铁4、第三瓦型永磁铁7以及第四瓦型永磁铁9，所述第一瓦型永磁铁2、第二瓦型永磁铁4、第三瓦型永磁铁7和第四瓦型永磁铁9分别沿外壳12的周向均匀分布并且与外壳12的内侧壁固定连接，所述第二瓦型永磁铁组包括第五瓦型永磁铁3、第六瓦型永磁铁5、第七瓦型永磁铁6以及第八瓦型永磁铁8，所述第五瓦型永磁铁3、第六瓦型永磁铁5、第七瓦型永磁铁6以及第八瓦型永磁铁8分别圆周地嵌入共振质量块11内，所述共振质量块11安装于柔性杆10上，所述柔性杆10从共振质量块11的中心部位穿过，并且共振质量块11通过片簧组与外壳12固定连接，所述共振质量块11为圆周对称结构，共振质量块11、第二瓦型永磁铁组以及柔性杆10形成一个旋转共振单元，柔性杆10的数量可以为一根也可以为多根，当柔性杆10的数量为多根时，保证柔性杆10沿共振质量块11的垂向中心线圆周地分布，且相邻柔性杆10与共振质量块11的垂向中心线所在点的连线的夹角相等，例如柔性杆10的数量为两根时，两根柔性杆10沿共振质量块11的垂向中心线对称分布，当柔性杆10的数量为四根时，四根柔性杆10呈正方形排列且该正方形的中心点与共振质量块11的垂向中心线共线。
所述第一瓦型永磁铁2和第五瓦型永磁铁3、第二瓦型永磁铁4和第六瓦型永磁铁5、第三瓦型永磁铁7和第七瓦型永磁铁6、第四瓦型永磁铁9和第八瓦型永磁铁8分别两两组成一对磁极对，每个磁极对所包含的永磁铁的中心线在同一径向方向上。所述第一瓦型永磁铁组所包含的永磁铁的磁化方向沿外壳12的径向指向圆心，所述第二瓦型永磁铁组所包含的永磁铁的磁化方向沿共振质量块11的径向背离圆心，所述各磁极对的磁化方向互斥。
如图1所示，所述片簧组包括第一片簧1、第二片簧13、第三片簧14和第四片簧15，所述第一片簧1、第二片簧13、第三片簧14和第四片簧15沿外壳12的周向分布，且相邻片簧之间的夹角为90°。在本发明中片簧组包括至少两片片簧，保证各片簧沿共振质量块11等间距圆周分布。
如图2所示，在本发明的具体实施例中，使用做个元胞进行组合时，多个元胞共用一组柔性杆10，也是就柔性杆10贯穿多个元胞，各元胞的外壳12分别首尾固定连接，从而形成一个多元胞的扭转减振超材料。
以下对本发明提出的超低频扭转减振超材料的超低频局域共振带隙的形成原理进行说明，共振质量块11以及固定在共振质量块上的第二瓦型永磁铁组形成局域共振质量，局域共振质量通过片簧组与外壳12固定连接，片簧组中各片簧的径向刚度大，可以良好的静态支持局域共振质量块11，而片簧组中各片簧的切向刚度极小，因此，本发明通过局域共振质量、片簧组以及外壳12之间组成了一个超低频的扭转振子。同时外圈瓦型永磁铁和内圈瓦型永磁铁两两构成一对互相排斥的磁极对，磁极对之间的力学特性在切线方向呈现负刚度特性。通过每一个磁极对的负刚度特性与各个片簧极小正刚度特性的并联关系，从而使得扭转振子呈现近零刚度状态，从而使得元胞呈现极低的固有频率。当外界低频超低频扭转振动接近低频扭转振子的固有频率时，低频扭转振子将产生共振，从而形成类似于吸振器的吸振效应，从而通过局域共振质量的共振将振动能量局域在元胞内部，进而实现扭转减振超材料的超低频带隙，从而可以实现对低频超低频扭转振动的有效衰减和阻断。
最后要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本实施案例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种超低频扭转减振超材料，其特征在于：包括多个元胞，所述多个元胞沿轴线方向等间距的排列，所述元胞包括环状的外壳(12)、第一瓦型永磁铁组、第二瓦型永磁铁组、至少一根柔性杆(10)、共振质量块(11)以及片簧组，所述第一瓦型永磁铁组包括多个外圈瓦型永磁铁，所述外圈瓦型永磁铁沿外壳(12)的周向分布并与外壳(12)的内侧壁连接，所述第二瓦型永磁铁组包括多个内圈瓦型永磁铁，所述内圈瓦型永磁铁圆周地嵌入共振质量块(11)内，所述第一瓦型永磁铁组与第二瓦型永磁铁组的永磁铁分别两两构成一对磁极对，所述共振质量块(11)安装于柔性杆(10)上，且共振质量块(11)通过片簧组与外壳(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种超低频扭转减振超材料，其特征在于：所述片簧组包括至少两片片簧，所述片簧沿共振质量块(11)等间距圆周分布。
3.根据权利要求1所述的一种超低频扭转减振超材料，其特征在于：所述外圈瓦型永磁铁的数量为4个，所述内圈瓦型永磁铁的数量为4个。
4.根据权利要求1所述的一种超低频扭转减振超材料，其特征在于：所述外圈瓦型永磁铁的磁化方向沿外壳(12)的径向指向圆心；所述内圈瓦型永磁铁的磁化方向沿共振质量块(11)的径向背离圆心。
5.根据权利要求1所述的一种超低频扭转减振超材料，其特征在于：所述磁极对的磁化方向互斥。
6.根据权利要求1所述的一种超低频扭转减振超材料，其特征在于：所述磁极对所包含的两个永磁铁的中心线位于同一径向方向上。
7.根据权利要求1所述的一种超低频扭转减振超材料，其特征在于：所述柔性杆(10)的数量为两根，两根柔性杆(10)沿共振质量块(11)的垂向中心线对称分布。
8.根据权利要求1所述的一种超低频扭转减振超材料，其特征在于：所述柔性杆(10)的数量为四根，四根柔性杆(10)呈正方形排列且该正方形的中心点与共振质量块(11)的垂向中心线共线。
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