CN111609069B - 一种抗冲击平面型准零刚度弹性波超材料装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种抗冲击平面型准零刚度弹性波超材料装置，包括质量块和连杆，所述质量块为长方体结构，所述质量块的四个侧面中部均设有上表面和下表面相互贯通的矩形凹槽，每个矩形凹槽其中一侧的侧壁上端和另一侧的侧壁下端均设有连接孔，所述连接孔安装有连接轴；所述质量块通过所述连接轴和所述连杆彼此间相互铰接形成有呈正方形排布的平面型周期结构，每个质量块与其相邻的每个质量块之间通过一组连杆铰接连接，由此形成准零刚度特性。

Description

一种抗冲击平面型准零刚度弹性波超材料装置
技术领域
本发明涉及人工弹性波超构材料技术领域，尤其涉及一种抗冲击平面型准零刚度弹性波超材料装置。
背景技术
近年来，弹性波超材料是日趋热门的新型人造材料，其中一类复合周期性材料称为声子晶体。这种超材料的特殊性能明显强化了结构对弹性波传播的控制能力。当弹性波在声子晶体中传播时会发生色散行为从而形成禁带(带隙)特性。在带隙的频率范围内，弹性波无法从声子晶体中传播。此类减振降噪特性成为了力学、物理学、机械工程、医学等多专业领域的热点课题，引起了世界上众多学者的普遍关注，拥有广泛的研究空间和应用前景。
众所周知，工程结构中发生瞬态冲击等动态荷载作用时，将会导致结构整体或内部的破坏，其中包括结构与材料性能的衰退，甚至可能使得整体结构发生灾难性强度失效。已有研究表明，弹性波超材料在动态冲击波作用下具有较强的传输衰减效果。
通过采用准零刚度的周期结构形式，使得其中准零刚度振子可以具有高静态低动态的刚度特性，将上述振子四方周期性排布，可以构成新型平面型弹性波超材料。通过准零刚度特性的设计，获得较低的整体系统刚度，进而可降低系统的固有频率，实现在低频甚至超低频范围内弹性波与振动的隔离，对于机械结构减振设计具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种抗冲击平面型准零刚度弹性波超材料装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种抗冲击平面型准零刚度弹性波超材料装置，包括质量块和连杆，所述质量块为长方体结构，所述质量块的四个侧面中部均设有上表面和下表面相互贯通的矩形凹槽，每个矩形凹槽其中一侧的侧壁上端和另一侧的侧壁下端均设有连接孔，所述连接孔安装有连接轴；所述质量块通过所述连接轴和所述连杆彼此间相互铰接形成有呈正方形排布的平面型周期结构，每个质量块与其相邻的每个质量块之间通过一组连杆铰接形成准零刚度特性。
进一步的，所述质量块呈现5×5正方形周期性排列，具有低频带隙特性。
进一步的，所述超材料装置在冲击波激励下，能够产生强衰减响应。
进一步的，两个相互铰接的质量块相互正对的矩形凹槽内通过两个相互交叉设置的连杆铰接。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明装置通过准零刚度特性来实现冲击波下的低频范围内的响应强衰减效果，同时在简谐振动下达到减振隔振的目的。本发明装置在冲击波作用下，可以在5000Hz范围内产生强衰减效果，实现宽频率范围内的减振效果。较以往弹性波超材料装置具有宽低频隔振的优点，可以用于需要抑制特定频率范围内冲击波与简谐振动的传播，可实现对精密仪器在低频振动过程中的保护。与以往隔振装置不同的是，本发明利用铰链连接质量块和连杆实现装置的零旋转刚度。由于结构特殊性，可以在冲击波的激励下，实现5000Hz超宽的低频率范围内的隔振。此外，平面型准零刚度弹性波超材料可以在简谐振动下形成超宽低频带隙。在带隙范围内，振动无法通过装置。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超材料装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的装置的俯视表示图。
图3为本发明实施例提供的单个质量块的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的铰接放大结构示意图。
图5为本发明实施例提供的冲击波激励信号图。
图6为本发明实施例提供的冲击波的时域响应图。
图7为本发明实施例提供的冲击波的频域响应图。
图8a至图8d分别为本发明实施例装置在冲击波作用下0s、0.001s、0.01s和0.02s四个时刻处的位移模态图。
图9为本发明实施例提供的单个质量块的带隙图。
图10为本发明实施例提供的简谐振动的传输响应图。
图11a至图11d分别为本实施例中超材料装置在简谐振动下2740Hz、2790Hz、5600Hz以及5800Hz的位移模态图。
附图标记：1-质量块，2-连杆
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
由于弹性波超材料的周期结构特性，可以对冲击波和简谐振动下的响应产生强衰减效果。本发明实施例提出了一种抗冲击平面型准零刚度弹性波超材料装置，由于准零刚度特性可以实现在较宽的低频率范围内的响应衰减，从而实现在低频率范围内对冲击波和简谐振动进行调控。本发明装置内涉及的平面型准零刚度结构使弹性波超材料达到在冲击和简谐振动激励下低频范围内的隔振减振。
本发明实施例的抗冲击平面型准零刚度弹性波超材料装置所采用的方案是：在装置的左端边缘施加冲击波和简谐振动激励并在装置的右端边缘拾取信号，由于装置的准零刚度特性，可以得到低频率的较宽范围内强衰减响应，实现减振隔振的目的。
本发明实施例提供抗冲击平面型准零刚度弹性波超材料装置的结构如图1所示，包括：质量块1、连杆2。图2为上述装置的俯视表示图。质量块均为铝材，弹性模量材料常数E＝70GPa，泊松比ν为0.33，密度ρ为2700kg/m3，连杆采用PVC塑料，材料常数E＝3.5GPa，泊松比ν为0.35，密度ρ为1260kg/m3。质量块通过连杆彼此间相互铰接形成有呈正方形排布的平面型周期结构，形成平面型准零刚度装置。本实施例中质量块呈现5×5正方形周期性排列，且具有低频带隙特性；在A-E点处施加激励，F-L点处测试响应信号。
图3为本发明实例提供的单个质量块的结构示意图。本实施例超材料装置由单个质量块在x和y方向周期排列组成。质量块参数为a为60mm，b为60mm，c为40mm，d为10mm。连杆长度为13mm、高度为68mm、宽度为4mm。质量块的四个侧面中部均设有上表面和下表面相互贯通的矩形凹槽，每个矩形凹槽其中一侧的侧壁上端和另一侧的侧壁下端均设有连接孔，连接孔安装有连接轴。
见图4为质量块和连杆铰链连接示意图，其中边界a中心位置除相对于y轴的旋转分量θy，其他位移和旋转都与边界b中心处相同。因此，质量块和连杆可以相对于y轴独立自由转动，形成零旋转刚度特性。
上述实施例涉及的抗冲击平面型准零刚度弹性波超材料装置的工作原理如下：
采用有限元法研究平面型准零刚度弹性波超材料。在装置左端施加位移激励，并在右端拾取信号，对比信号对激励的响应衰减程度。
在图5为冲击波激励信号图。施加的高斯脉冲激励U为
U＝Asin[2πf(t-t0)]exp[-(t-t0)/τ]2
其中，A为幅值，f为中心频率，t0是峰值出现点，τ描述波包宽度。
幅值A为0.005m、f为2000Hz、t0为5e-4s、τ为5e-4s。横坐标为时间t，纵坐标代表振幅。整个瞬态冲击波的持续作用时间为0.02s。选取右端部大质量块的边缘E-L处作为信号拾取点，采集输出响应。
图6为在冲击波激励下的时域响应，其中实线为激励处的时域信号，点虚线为接收处的响应特性，通过对比可知，接收处的幅值明显减小。且动态传播的周期有所增加。图7给出了相同冲击波下对应的频域响应，其中横坐标表示频率，纵坐标反映响应幅值。在信号激励处，初始信号主要激励的频率范围是在1000Hz-5000Hz。通过对比可知，接收处信号的频谱图在1000Hz-5000Hz范围内，冲击波可发生明显衰减，尤其是1000Hz-3000Hz的范围内，在该激励信号的有效频率区间，可以发现冲击波出现了明显的衰减，达到较好的隔振效果。
图8a至图8d分别为本实施例中平面型准零刚度超材料装置在冲击波作用下0s、0.001s、0.01s和0.02s四个时刻处的位移。可以看出在动态激励作用下，该装置的位移从左端激励点处开始传播。由位移分布情况可知，随着时间的变化，动态位移从激励处逐渐向装置右端传输，但质量块的位移并不明显，通过比较发现位移主要发生在连杆上。
图9为通过有限元计算得到的单个质量块的带隙图，横坐标表示Γ-X方向的Bloch波的波矢k，纵坐标表示角频率ω，可以明显地发现在第三频散曲线下方存在两个禁带，分别为478.56Hz-2626.5Hz的超低频宽禁带和2626.5Hz-5121.8Hz的超宽带隙。
图10为该装置在简谐振动下的传输响应图，纵坐标为透射系数，单位为dB，取值为log(w2/w1)，其中w1为简谐振动的位移幅值，w2为简谐振动响应端的幅值；横坐标为频率，其单位为Hz。一般情况下，透射系数小于零的频率范围为禁带，弹性波的传播在禁带范围内将会有一定程度的衰减。在简谐振动为0.005m时，平面型准零刚度弹性波超材料装置的衰减程度最大为25dB，传输系数越小说明弹性波传播时的衰减效果越好。弯曲波传播在周期结构中传播时在500Hz-2750Hz以及2750Hz-5600Hz的两个频段范围内，传输系数明显下降，从而表明其具有突出的波动衰减效果。在上述频率范围内，本实施例的平面型准零刚度超材料装置可以有效地抑制简谐振动。
图11a至图11d分别为该装置在简谐振动下2740Hz、2790Hz、5600Hz以及5800Hz时的位移模态，模态结果与传输响应及其能带结构均可很好对应。在2740Hz时，位移主要发生在第一列质量块和与其相连的连杆处，处于第二列的质量块将产生轻微位移，表明此频率在禁带范围内。当处于2790Hz时，几乎所有质量块都产生较大位移，表明此频率并不位于禁带范围内。当处于5600Hz时，与前两者结果相比，质量块上几乎看不出位移变化。在5800Hz时，几乎只有第一列质量块有小幅度的位移产生。因此，在带隙范围内有较好的隔振效果。上述结果均能够验证了平面型准零刚度弹性波超材料在简谐振动下能产生宽低频禁带特性。
综上所述，本发明实施例的装置相比以往周期隔振装置，本发明采用由质量块和连杆铰接形成的准零刚度特性来调节平面型弹性波超材料中在低频范围内冲击波的传播。该装置可以用于需要抑制特定频率的冲击波与简谐波的情况，通过准零刚度特性产生强衰减效果，从而达到减振抗冲击的目的。
本发明的装置只测试了某特定冲击波和简谐振动激励，但是通过调节激励信号，可以实现不同宽度低频率范围内的衰减响应。
本装置的整体由铝块、PVC连杆铰接组成。该装置的结构设计简单，易于采购装配，设计完成后非常易于操作。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种抗冲击平面型准零刚度弹性波超材料装置，其特征在于，包括质量块和连杆，所述质量块为长方体结构，所述质量块的四个侧面中部均设有上表面和下表面相互贯通的矩形凹槽，每个矩形凹槽其中一侧的侧壁上端和另一侧的侧壁下端均设有连接孔，所述连接孔安装有连接轴；所述质量块通过所述连接轴和所述连杆彼此间相互铰接形成有呈正方形排布的平面型周期结构，每个质量块与其相邻的每个质量块之间通过一组连杆铰接连接，各个质量块在X和Y方向周期排列形成具有准零刚度特性的呈正方形排布的平面型周期结构，所述超材料装置在冲击波激励下，能够产生强衰减响应，两个相互铰接的质量块相互正对的矩形凹槽内通过两个相互交叉设置的连杆铰接。
2.根据权利要求1所述一种抗冲击平面型准零刚度弹性波超材料装置，其特征在于，所述质量块呈现5×5正方形周期性排列，具有低频带隙特性。
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