CN111364526A - 一种具有低频减震特性三维面心立方地震超材料 - Google Patents
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Abstract
一种具有低频减震特性的三维面心立方地震超材料，包括拥有三个通孔的立方壳体，中心圆柱穿过三维壳体的通孔同轴并指向立方壳体体心，中心圆柱的基面与三维壳体外表面相平行，中心圆柱的侧面通过扇形块结构与立方壳体的内壁相连接，三维壳体、扇形块结构和中心圆柱采用三种不同的材料。发明在尺寸相同的情况下质量更轻，并可产生低频带隙特性，对地震波具有可控制的带隙范围。其带隙可通过调整扇形块数量，中心圆柱高度，扇形块扇形角度数以及立方壳体的壁厚进行调节。相对于布拉格散射类型地震超材料具有易于布置以及节约材料优势。本发明可用于建筑地基填充，对重要建筑基础设施进行有效的减震保护。
Description
技术领域
本发明属于地震减震技术领域，特别涉及一种具有低频减震特性三维面心立方地震超材料。
背景技术
地震是一种严重的自然灾害，它以其突发性和极强的破坏性，严重威胁着人们的生命财产安全，因此地震防护显得尤为重要。
弹性超材料是周期结构的介质材料，因其可以抑制地震波在一定范围内不能传播，受到了学者们的广泛关注。近年来，人们开始将弹性超材料从固体物理领域向地震工程领域发展，产生了一种新的减震技术，即地震超材料。
现有地震超材料大多为二维结构，主要布置形式为周期布置防护，且因其结构的局限性，只能吸收地表层地震波，未能做到对地震波各方向做到全面屏蔽。而最近地震超材料的三维结构研究也大多集中于简单立方结构中，因其结构为实体材料填充且现有结构尺寸较大，往往集中在几米甚至几十米范围内，才可达到其建筑所需减震频率(0-40Hz)，因此现有结构在建造时普遍需要使用大量材料，增加了其建造成本；同时，因其尺寸结构较大，在安装搬运时也有诸多不便因此。
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低频减震特性三维面心立方地震超材料，其尺寸较小，具有良好的加工运输条件以及优异的低频减震性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有低频减震特性三维面心立方地震超材料，其主体为立方壳体1，其特征在于，所述立方壳体1的每组相对面均开有一个贯穿立方体中心的通孔，每个通孔两端分别设置一个中心圆柱3，各中心圆柱3与其所处的通孔同轴且内端与立方体中心具有间距，各中心圆柱3侧面通过若干扇形块结构2与通孔内壁连接，所述立方壳体1、扇形块结构2和中心圆柱3整体形成面心立方结构。
各个所述通孔的参数完全相同，各个所述中心圆柱3的参数完全相同，各个所述中心圆柱3所连接的扇形块结构2的结构、参数和设置形式完全相同。
所述中心圆柱3在立方壳体1的六个中心通孔中均有布置，且各中心圆柱3之间无连接关系，彼此独立，各中心圆柱3的端基面分别与立方壳体1的一个外表面相平行，各中心圆柱3的外端分别与立方壳体1的一个外表面平齐，各扇形块结构2纵向截面分别与立方壳体1的一个外表面平行。
所述立方壳体1的每个截面均为中心有孔的正方形，扇形块结构2为十字交叉分布，分别连接在所述通孔内壁与所述中心圆柱3的外壁。
所述扇形块结构2横向截面为圆环所截出的扇形，圆环外径与通孔孔径相同，圆环内径与中心圆柱3外径相同；所述扇形块结构2纵向截面形状均相同，两侧截面横向距离为10mm，所述扇形块结构2纵向高度与立方壳体1的薄壁厚度相同。
所述扇形块结构2外切于立方壳体1通孔，内切于中心圆柱3，所述扇形块结构2内嵌于立方壳体1，扇形块结构2两侧横截面相对应平行于立方壳体1内外薄壁表面，扇形块结构2一侧横截面同时也平行于中心圆柱3的端基面。
所述立方壳体1为薄壳结构，且在薄壳结构表面均设有垂直于表面的通孔，立方壳体1边长为100mm，壁厚为5mm，通孔直径为80mm。
所述中心圆柱3纵向高度大于扇形块结构2纵向高度与立方壳体1的薄壁厚度，中心圆柱3纵向高度为扇形块结构2纵向高度与立方壳体1的薄壁厚度的4倍。
所述通孔半径为中心圆柱3半径的1.6倍。
所述立方壳体1、扇形块结构2和中心圆柱3分别采用不同材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明三维面心立方地震超材料具有比传统地震超材料在尺寸相同的情况下质量更轻，并可产生低频带隙特性，对地震波具有可控制的带隙范围。其带隙可通过调整扇形块数量，中心圆柱高度，扇形块扇形角度数以及立方壳体的壁厚进行调节。相对于布拉格散射类型地震超材料具有易于布置以及节约材料优势。本发明可用于建筑地基填充，对重要建筑基础设施进行有效的减震保护。
附图说明
图1为本发明三维面心立方地震超材料单胞的结构示意图。
图2为本发明三维面心立方地震超材料单胞的能带图。
图3为本发明三维面心立方地震超材料的结构图。
图4是本发明三维面心立方地震超材料的地基填充结构图。
图5是本发明三维面心立方地震超材料的频响函数曲线图。
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，一种具有低频减震特性的新型三维面心立方地震超材料，包括立方壳体1，立方壳体1的每组相对面中心均开有一个通孔，三组相对面共计开有三个通孔，每个通孔均贯穿立方体中心。在每个通孔的两端分别设置一个中心圆柱3，三个通孔中共计设置六个中心圆柱3。每个中心圆柱3均与其所处的通孔同轴，且内端指向立方壳体1的体心并与体心有一定间距，也即，同一通孔内的两个中心圆柱3之间具有一定间距。中心圆柱3的端基面与立方壳体1的一个外表面相平行，中心圆柱3的侧面通过扇形块结构2与通孔内壁相连接，立方壳体1、扇形块结构2和中心圆柱3分别采用三种不同材料。
在本实施例中，立方壳体1截面为中心有孔的正方形，扇形块结构2为十字交叉分布，分别连接在通孔内壁与中心圆柱3的外壁。
具体而言，中心圆柱3垂直于立方壳体1外表面，与通孔同轴布置，中心圆柱3彼此间无连接关系，中心圆柱3与扇形块结构2相连接，中心圆柱截面为圆形。
本发明中，中心圆柱3纵向高度大于扇形块结构2纵向高度与立方壳体1的薄壁厚度，扇形块结构2纵向高度2与立方壳体1的薄壁厚度相等。
本发明的实施例中，中心圆柱3的圆柱半径为25mm，纵向高度为20mm，立方壳体1边长为100mm，立方壳体1的通孔半径为40mm，薄壁厚度为5mm，扇形块结构2外侧半径为40mm，内侧半径为25mm，纵向高度为5mm，两侧横向距离为10mm，相邻两扇形块结构2之间夹角θ＝90°
本发明立方壳体1、扇形块结构2和中心圆柱3分别采用环氧树脂、硅橡胶和铅。具体材料参数为：环氧树脂，密度ρ1＝1180kg/m3、剪切模量E1＝4.35×109Pa、泊松比μ1＝0.368；硅橡胶，密度ρ2＝1300kg/m3、剪切模量E2＝1.175×105Pa、泊松比μ2＝0.469；铅，密度ρ3＝11600kg/m3、剪切模量E3＝4.08×1010Pa、泊松比μ3＝0.369。从图2中可以看出0-40Hz区间内存在带隙，其中第一带隙为4.463-5.019Hz，第二带隙为7.9-30.1Hz。
本发明三维面心立方地震超材料结构是由三维面心立方地震超材料单胞通过向空间中三个相互垂直的方向上延拓得到的，如图3所示。
本发明三维面心立方地震超材料结构在实际使用中，常采取一定厚度水泥层包覆地震超材料结构，以便使其可适应各种复杂环境，本发明中水泥层厚度为50mm，所选材料参数为密度ρ4＝2300kg/m3、剪切模量E4＝4×1010Pa、泊松比μ4＝0.2。如图4所示。
参考图5，图5是由4X4X4单胞空间延拓所构成的周期结构且在其外部包覆水泥层的传输谱。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低频带隙。需要注意的是，在传输特性的模拟过程中，采取了S波激励方式，从图5中可以看出传输谱与能带结构中的完全带隙是相互对应的。
可见本发明三维面心立方地震超材料结构可以使三维结构产生低频带隙，对地震波进行有效的控制。
本发明三维面心立方地震超材料具有比传统三维声子晶体结构在尺寸相同的情况下质量更轻，并可产生低频带隙特性，对地震波具有可控制的带隙范围。其带隙可通过调整扇形块数量，中心圆柱高度，扇形块扇形角度数以及立方壳体的壁厚进行调节。相对于布拉格散射类型地震超材料具有易于布置以及节约材料优势。本发明可用于建筑地基填充，对重要建筑基础设施进行有效的减震保护。
Claims (10)
1.一种具有低频减震特性三维面心立方地震超材料，其主体为立方壳体(1)，其特征在于，所述立方壳体(1)的每组相对面均开有一个贯穿立方体中心的通孔，每个通孔两端分别设置一个中心圆柱(3)，各中心圆柱(3)与其所处的通孔同轴且内端与立方体中心具有间距，各中心圆柱(3)侧面通过若干扇形块结构(2)与通孔内壁连接，所述立方壳体(1)、扇形块结构(2)和中心圆柱(3)整体形成面心立方结构。
2.根据权利要求1所述具有低频减震特性三维面心立方地震超材料，其特征在于，各个所述通孔的参数完全相同，各个所述中心圆柱(3)的参数完全相同，各个所述中心圆柱(3)所连接的扇形块结构(2)的结构、参数和设置形式完全相同。
3.根据权利要求1所述具有低频减震特性三维面心立方地震超材料，其特征在于，所述中心圆柱(3)在立方壳体(1)的六个中心通孔中均有布置，且各中心圆柱(3)之间无连接关系，彼此独立，各中心圆柱(3)的端基面分别与立方壳体(1)的一个外表面相平行，各中心圆柱(3)的外端分别与立方壳体(1)的一个外表面平齐，各扇形块结构(2)纵向截面分别与立方壳体(1)的一个外表面平行。
4.根据权利要求1所述具有低频减震特性三维面心立方地震超材料，其特征在于，所述立方壳体(1)的每个截面均为中心有孔的正方形，扇形块结构(2)为十字交叉分布，分别连接在所述通孔内壁与所述中心圆柱(3)的外壁。
5.根据权利要求4所述具有低频减震特性三维面心立方地震超材料，其特征在于，所述扇形块结构(2)横向截面为圆环所截出的扇形，圆环外径与通孔孔径相同，圆环内径与中心圆柱(3)外径相同；所述扇形块结构(2)纵向截面形状均相同，两侧截面横向距离为10mm，所述扇形块结构(2)纵向高度与立方壳体(1)的薄壁厚度相同。
6.根据权利要求1所述具有低频减震特性三维面心立方地震超材料，其特征在于，所述扇形块结构(2)外切于立方壳体(1)通孔，内切于中心圆柱(3)，所述扇形块结构(2)内嵌于立方壳体(1)，扇形块结构(2)两侧横截面相对应平行于立方壳体(1)内外薄壁表面，扇形块结构(2)一侧横截面同时也平行于中心圆柱(3)的端基面。
7.根据权利要求1所述具有低频减震特性三维面心立方地震超材料，其特征在于，所述立方壳体(1)为薄壳结构，且在薄壳结构表面均设有垂直于表面的通孔，立方壳体(1)边长为100mm，壁厚为5mm，通孔直径为80mm。
8.根据权利要求1所述具有低频减震特性三维面心立方地震超材料，其特征在于，所述中心圆柱(3)纵向高度大于扇形块结构(2)纵向高度与立方壳体(1)的薄壁厚度，中心圆柱(3)纵向高度为扇形块结构(2)纵向高度与立方壳体(1)的薄壁厚度的4倍。
9.根据权利要求1所述具有低频减震特性三维面心立方地震超材料，其特征在于，所述通孔半径为中心圆柱(3)半径的1.6倍。
10.根据权利要求1所述具有低频减震特性三维面心立方地震超材料，其特征在于，所述立方壳体(1)、扇形块结构(2)和中心圆柱(3)分别采用不同材料。
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