CN111473078A - 一种超单元及基于该超单元的减振型超板结构及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超单元及基于该超单元的减振型超板结构及应用，该超单元由框架单元和填充在框架单元内的振子单元两者构成；框架单元由筒体以及设在筒体上下表面的开孔基板连接而成，其中开孔基板的内径小于筒体内径；振子单元由两个轻质弹性圆膜和夹芯柱构成，其中夹芯柱又由两个轻质弹性表柱B中间夹芯柱A构成，芯柱A由密度范围为4000‑10000Kg/m³的材料制成；超单元通过周期性阵列形成减振型超板结构。该发明不仅具有轻质高刚度厚尺寸和构造简单等特点，形成的减振型超板结构还具有新奇的物理特性，即减振型超板结构的低宽频振动带隙特性能将带隙频率范围内的振动进行大幅衰减，因此该发明具有低频减振降噪支撑防护功能，可用于工程实际的低频减振降噪中。

Description

一种超单元及基于该超单元的减振型超板结构及应用

技术领域

本发明涉及减振降噪技术领域，具体涉及一种超单元及基于该超单元的减振型超板结构及应用。

背景技术

随着科学技术的不断进步，各种新型的动力设备广泛应用于航空航天、民用设施、及国防军事领域，高速化、重型化、精密化已成为现代高端装备的主要发展趋势和特性指标。但是大型工业设备中所存在的各种有害振动，会导致结构早期失效甚至破坏，或严重影响设备功能的正常发挥，与此同时，由振动引起的噪声会对人体造成各种危害，特别是低频振动和噪声，容易与人体器官发生共振，直接造成人体损伤。长期以来，如何抑制工业设备中的有害振动始终是工程实际中需要解决的重要问题之一，而控制低频范围内的振动，更是其中的主要难点。

基于减振技术的理论与应用研究的不断发展，已经提出了许多抑制振动的技术方法，如被动控制、主动控制及主被动混合控制等。相比而言，被动控制因其结构简单、可靠，易于实现以及经济性等优点，在工程领域里被广泛应用，然而目前存在的方法却无法对低宽频范围内的振动控制进行主动设计。因此，探索新型减振方法，研究更有效的减振技术来实现对低宽频范围的振动控制进行主动设计，具有重要的学术意义和工程应用价值。

研究发现，引起结构振动的本质原因是由于结构中弹性波传递的能量导致结构共振或强迫振动，因此，对结构中弹性波的传播行为进行调控是实现结构减振的一种有效手段，而通过对超材料/结构构成其关键子结构的微妙设计，使其在动态响应时可获得自然界材料/结构所不具备的、超常规的、全新的等效物理性质，如振动带隙特性，即当弹性波通过时，特定频率范围的振动会被抑制。因此，通过将隔振器件或工程结构本身设计成超结构，利用其自身的振动带隙特性来实现减振，成为了抑制工程中的有害振动提供了一种全新的思路和方法。

板类结构作为工程中最常用的基本支撑防护单元构件，是汽车、船舶、列车和飞行器等运载工具舱体结构的重要组成部分，也是高速精密机床等大型工作母机结构的重要支撑和防护部件，承受多种载荷，是产生和传递振动的主要载体和导体，也是噪声的主要传入路径与直接辐射声源，一直以来被看做工程结构振动控制领域里的主要减振对象，需要其具有较大支撑刚度的同时也具备减振降噪功能。近年来，人们提出利用超材料/结构的振动带隙特性，将板结构设计为超板结构，通过在周期性开孔的薄板中填充软材料、或在均匀板面上周期性布置由各种软硬材料构成的吸振器，构造形成了一种新型板结构-超材料板/超板结构，即通过对构成其关键子结构周期单元的微妙设计，使其在动态响应时可获得自然界板结构所不具备的、超常规的、全新的等效物理性质-振动带隙特性，利用产生的振动带隙进行板结构的实际工程减振，进而为板结构的低频振动控制提供了一种新思路。

然而对于实际工程中的板结构，其主要起支撑防护作用，工作中承受多种载荷，并产生和传递振动，因此通常为高刚度厚尺寸板结构，目前对于这种应用范围较广的高刚度厚尺寸板结构，无论是采用传统的减振方法还是目前最新提出的基于超材料/结构设计方法，均未能解决其在200Hz范围内的振动控制问题。

发明专利内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种超单元及基于该超单元的减振型超板结构及应用。

本发明提供了一种轻质高刚度厚尺寸的超单元，其结构由框架单元和振子单元形成，所述框架单元包括筒体以及设在筒体上下表面的开孔基板，所述开孔基板的内径小于筒体内径，且开孔基板与筒体连接，所述振子单元填充在筒体内。

较佳地，所述振子单元包括两个轻质弹性圆膜以及位于两个轻质弹性圆膜之间的夹芯柱组成，所述夹夹芯柱设在框架单元的筒体内，且筒体的内径大于夹芯柱的直径，所述两个弹性圆膜分别与框架单元中的两个开孔基板一一对应并与各开孔基板的孔壁连接，所述夹芯柱由芯柱A和两个轻质弹性表柱B组成，所述芯柱A设在两个轻质弹性表柱B之间，且芯柱A、两个轻质弹性表柱B以及两个轻质弹性圆膜连接为一体，所述芯柱A由密度范围为4000-10000Kg/m³的材料制成。

本发明提供了由上述超单元所构成的具有低宽频振动带隙特性的减振型超板结构，该减振型超板结构由多个超单元沿X方向和Y方向周期性阵列而成。

较佳地，所述多个超单元周期性矩阵排布。

本发明提供了一种轻质高刚度厚尺寸的框架板，由所述的框架单元沿X方向和Y方向周期性的阵列而成。

较佳地，所述框架单元之间周期性矩阵排布。

较佳地，所述减振型超板结构在汽车、船舶、列车和航天、航空飞行器中的应用。

较佳地，框架板在大型机械设备作为支撑体的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明与现有技术进行比较，本发明结合新理论，通过提出超单元并基于该超单元周期性阵列而形成一种新型减振型超板结构，该减振型超板结构在具有质量轻、刚度高、板厚尺寸大以及构造简单等实用性特点的同时，还具有低宽频振动带隙特性(带隙频率范围可在0-200Hz范围内主动设计)，即带隙频率范围内的振动会被大幅抑制，因此通过对该减振型超板结构参数以及振子单元的设计可实现对工程实际中0-200Hz范围内的振动和噪声进行过滤或抑制，进而解决了目前工程实际中传统支撑防护板结构(高刚度厚尺寸板)面临的低宽频振动控制这一技术难题，本发明的减振型超板结构可用最常见的材料按照最简单的工艺加工制造、价格低廉和易市场化。

附图说明

图1为本发明的减振型超板结构立体示意图；

图2为本发明的超单元结构立体示意图；

图3为本发明的超单元结构剖面图；

图4为发明的振子单元结构示意图；

图5为本发明的框架单元的结构示意图；

图6为本发明的框架板的立体结构示意图；

图7为本发明的减振型超板结构在振动带隙范围内的振动情况；

图8为本发明的减振型超板结构在振动带隙范围外的振动情况；

图9为本发明的减振型超板结构能带/带隙结果；

图10为本发明的超单元振动示意图；

图11为本发明的能带/带隙结果对比图；

图12为本发明的仿真结果所有参数。

附图标记说明：

1.框架单元，1-1.筒体，1-2.开孔基板，2.框架板，3.振子单元，3-1.轻质弹性圆膜，3-2.夹芯柱，3-21.轻质弹性表柱B，3-22.芯柱A，4.超单元，5.减振型超板结构。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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1-6所示，本发明提供的一种轻质高刚度厚尺寸的超单元，包括框架单元1和振子单元3；所述框架单元1包括筒体1-1以及设在筒体1-1上下表面的开孔基板1-2，所述开孔基板1-2的内径小于筒体1-1内径，且开孔基板1-2与筒体1-1通过焊接、粘贴或铸造一体成型的方式连接，所述振子单元3填充在筒体1-1内，其中设置开孔基板1-2的内径小于筒体1-1内径的目的是为了对振子单元3起到限位作用。

其中，所述振子单元3包括两个轻质弹性圆膜3-1以及位于两个轻质弹性圆膜3-1之间的夹芯柱3-2组成，所述夹芯柱3-2设在框架单元1的筒体1-1内，且筒体1-1的内径大于夹芯柱3-2的直径，用于将装配在框架单元1内的夹芯柱3-2悬空在其中，所述两个轻质弹性圆膜3-1分别与框架单元1中的两个开孔基板1-2一一对应并与各开孔基板1-2的孔壁连接，所述夹芯柱3-2由芯柱A3-22和两个轻质弹性表柱B3-21组成，所述芯柱A3-22设在两个轻质弹性表柱B3-21之间，且芯柱A3-22与两个轻质弹性表柱B3-21之间通过粘贴或3D打印成一体型，所述两个轻质弹性圆膜3-1与夹芯柱3-2之间也通过粘贴或3D打印成一体型，两个轻质弹性圆膜3-1与两个轻质弹性表柱B3-21均可由橡胶材料制成，所述芯柱A3-22由密度范围为4000-10000Kg/m³的材料制成，例如钢材或者铁等中的一种。

由上述超单元4所构成的减振型超板结构5，减振型超板结构5由多个超单元4沿X方向和Y方向周期性阵列而成，各超单元4间均采用焊接、粘贴或铸造成一体成型的方式进行连接。

其中，所述多个超单元4周期性矩阵排布。

由上述框架单元1沿X方向和Y方向周期性阵列制成框架板，多个框架单元1之间均通过焊接、粘贴或铸造成一体成型的方式进行连接。

其中，所述框架单元1之间周期性矩阵排布。

其中，所述减振型超板结构在汽车、船舶、列车和航天、航空飞行器中进行减振与支撑的应用。

其中，所述框架板在大型机械设备作为支撑体的应用。

减振型超板结构5形成的方法有两种：一种是将振子单元3填充在框架单元1内形成超单元4，各个超单元4间通过焊接、粘贴或铸造成一体成型的方式进行沿X方向和Y方向周期性的延拓而成并矩阵排布；另一种将框架板2中填充振子单元3制得减振型超板结构5。

实施例

本发明提供的减振型超板结构5其板厚或超单元4的厚度最小可为1cm，其中开孔基板1-2的厚度最小可为1mm，筒体1-1的壁厚最小也可为0.5mm，筒体1-1的高度最小为8mm，当然随着应用对象不同，各尺寸还可以适当增大；本申请给出仿真实验中的结构尺寸如图12所示，其中图12(a)为框架板；图12(b)为刨分超单元；图12(c)为振子单元；图12(d)为框架单元；图12(e)为完成超单元；图12(f)为筒体，即，开孔基板1-2的厚度为1mm，筒体1-1的壁厚为0.5mm，筒体1-1的高度为8mm；高刚度厚尺寸主要体现为：由开孔基板1-2和筒体1-1组成的框架单元1沿板厚方向就具有较高的刚度，如果将框架单元1周期性矩阵排列形成框架板2，沿板厚方向的刚度将进一步加强，这是因为周期性矩阵排列的框架单元1形成的整体框架板2结构具有类蜂窝夹层结构特性，因此框架板2主要起支撑功能(高刚度)，厚尺寸的主要体现为：虽然构成该框架板2的基板和支撑体厚度小至1mm，但整个框架板2的厚度却为1cm，这就是典型的小尺度/薄尺度构建大尺度/厚尺度，因此本发明制成的框架板2具有轻质高刚度厚尺寸的特性。

周期性排列的框架板2中填充入振子单元3后，形成了具有振动带隙特性的减振型超板结构5；或者可看成是将框架单元1中填充振子单元2构成超单元4，再将超单元4周期性阵列进而形成了具有带隙特性的减振型超板结构5。通过数值仿真得到该减振型超板结构5的能带结构如图9所示，其中图9(a)为完全振动带隙，图9(b)为横向(弯曲)振动带隙，图9(c)为纵向振动带隙，能够看出该减振型超板结构5不仅具有低宽频特性的完全带隙(带隙频率范围170Hz-296Hz，带宽为126Hz)，即对横向振动和纵向振动均可进行抑制的频率范围，同时更具有优良的横向振动/弯曲振动带隙(带隙频率范围为170Hz-445Hz，带宽为275)，即对板结构中最常见的横向振动/弯曲振动可进行大范围抑制。为了进一步研究带隙特性的形成机理，提取能带结构(图9所示)中对应的超单元4的振动模式，其振动情形如图10所示，其中图10(a)为带隙内超单元振动模式；图10(b)为超单元振动模式理论模型；图10(c)为带隙外超单元振动模式。在带隙频率范围内，超单元4的振动模式为A1，即振子单元3在框架单元1内作上下振动，而框架板2不动，因此带隙范围内无板波振动模式，因此振动不能进行传播，致使该减振型超板结构5具有减振功能；可以看出，振子单元3是振动带隙形成的主要原因，主导带隙特性，而振子单元3又可等价于一个弹簧质量模型，由于振子单元3中的两个轻质弹性圆膜和两个轻质弹性表柱B均由橡胶等轻质高弹性的材料制成，因此两个轻质弹性圆膜3-1和两个轻质弹性表柱B在振子单元3中主要起弹簧的功能，决定振子刚度，其中轻质弹性圆膜3-1进一步削弱(降低)了振子刚度(弹簧刚度)，致使形成低频振动带隙，芯柱A为钢等高密度材料制成，在弹簧质量模型中主要起质量功能；在带隙频率范围外，超单元4振动模式为A2，即振子单元3不动，框架板2发生振动，于是振动可在其中进行传播，即减振型超板结构5受激励时可发生振动，不具有减振功能。因此该减振型超板结构5可利用其自带的振动带隙特性，对带隙范围内的振动进行控制，即该减振型超板结构5自身具有减振功能，通过调节振子的结构形式和参数大小，可调节带隙频率范围，进而实现更低频范围的减振降噪。

为了进一步说明该减振型超板结构5带隙范围内的减振机理，对由周期布置6x6个超单元4形成的减振型超板结构5进行振动传输特性分析，其中用于仿真研究的结构几何参数分别为：框架单元1中的筒体1-1内径8.75mm，开孔基板1-2的内径为8mm，为了将振子单元3装配到框体单元1内并使振子单元能够悬浮在筒体1-1内，设振子单元3中的两个轻质弹性圆膜的厚度为1mm，轻质弹性圆膜直径选为为8mm，两个轻质弹性圆膜间设置的夹芯柱3-2的直径为7mm，由于夹芯柱3-2的直径小于筒体1-1的直径，同时两个轻质弹性圆膜3-1的直径与开孔基板1-1的孔径相同，且两个轻质弹性圆膜3-1分别与位于筒体1-1上下表面的开孔基板1-2的孔壁连接，因此装配在框架单元1内的振子单元3悬空于其中。当减振型超板结构5受到振动带隙频率范围内的振动激励时，振子单元3会在筒体1-1内上下振动，框架板2基本不振动，如图7所示，输入的振动能量被振子单元3消耗，因此减振型超板结构5在带隙频率范围内的振动激励时不发生振动，具有减振功能；相反，当减振型超板结构5受到振动带隙频率范围外的振动激励时，振子单元3在筒体1-1内不会上下振动(静止)，框架板2发生振动，如图8所示，输入的振动能量不能被振子单元3消耗，因此减振型超板结构5在受激励频率为带隙频率范围外的振动激励时发生振动。可以看出，填充于框架单元1空腔中的振子单元3就像一个弹性体，在带隙频率范围内，通过自身振动将输入板中的振动能量吸收或耗散掉，进而使得减振型超板结构5不会振动，于是具有减振功能。上述分析说明该减振型超板结构5可利用其自带的振动带隙特性进行低频减振。

为了进一步说明并验证减振型超板结构5可产生低宽频带隙特性，对比了分别由超单元4和框架单元1周期阵列形成的减振型超板结构5和框架板2二者的能带结构，结果如图11所示，其中图11(a)为超板结构能带图；图11(b)为框架板能带图，可以看出，由框架单元1周期阵列形成的框架板2在4万赫兹频率范围内无振动带隙产生，而本申请制备的减振型超板结构5不仅在170-296HZ范围内具有完全振动带隙，更在170-445Hz范围内具有一横向振动带隙。面对不同的低频减振需求，可通过调节振子结构形式和参数大小来调节带隙频率范围，得到更低频的带隙，进而实现更低频范围内的减振降噪。

以上公开的仅为本发明的较佳实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种轻质高刚度厚尺寸的超单元，其特征在于，包括框架单元(1)和振子单元(3)，所述框架单元(1)包括筒体(1-1)以及设在筒体(1-1)上下表面的开孔基板(1-2)，所述开孔基板(1-2)的内径小于筒体(1-1)内径，且开孔基板(1-2)与筒体(1-1)连接，所述振子单元(3)填充在筒体(1-1)内。

2.如权利要求书1所述的轻质高刚度厚尺寸的超单元，其特征在于，所述振子单元(3)包括两个轻质弹性圆膜(3-1)以及位于两个轻质弹性圆膜(3-1)之间的夹芯柱(3-2)组成，所述夹芯柱(3-2)设在框架单元(1)的筒体(1-1)内，且筒体(1-1)的内径大于夹芯柱(3-2)的直径，所述两个轻质弹性圆膜(3-1)分别与框架单元(1)中的两个开孔基板(1-2)一一对应并与各开孔基板(1-2)的孔壁连接，所述夹芯柱(3-2)由柱芯A(3-22)和两个轻质弹性表柱B(3-21)组成，所述芯柱A(3-22)设在两个轻质弹性表柱B(3-21)之间，且芯柱A(3-22)、两个轻质弹性表柱B(3-21)以及两个轻质弹性圆膜(3-1)连接为一体，所述芯柱A(3-22)由密度范围为4000-10000Kg/m³的材料制成。

3.如权利要求书1所述的超单元所构成的具有低宽频振动带隙特性的减振型超板结构，其特征在于，该减振型超板结构(5)由多个超单元(4)沿X方向和Y方向周期性的阵列而成。

4.如权利要求书3所述的具有低宽频振动带隙特性的减振型超板结构，其特征在于，所述多个超单元(4)周期性矩阵排布。

5.一种轻质高刚度厚尺寸的框架板，其特征在于，由权利要求1所述的框架单元(1)沿X方向和Y方向周期性的阵列而成。

6.如权利要求书5所述的一种轻质高刚度厚尺寸的框架板，其特征在于，所述框架单元(1)之间周期性矩阵排布。

7.如权利要求3所述的具有低宽频振动带隙特性的减振型超板结构在汽车、船舶、列车和航天航空飞行器中的应用。

8.如权利要求5所述的框架板在大型机械设备作为支撑体的应用。

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