CN111645846A - 一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构 - Google Patents

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Abstract

一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构，本发明涉及一种超材料梁结构，本发明为解决传统金字塔点阵梁结构减振和降噪效果不理想的问题，本发明包括上板体、下板体、支撑组件和多个减振组件，上板体和下板体均是长条形板体，且上板体和下板体由上至下依次水平设置，多个所述支撑组件呈一字形设置在上板体的下表面和下板体的上表面之间，且每个所述支撑组件的上端与上板体的下表面固定连接，每个所述支撑组件的下端与下板体的上表面固定连接，每个所述支撑组件内均设有一个所述减振组件。本发明属于工程减振降噪技术领域。

Description

一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构
技术领域
本发明涉及一种超材料梁结构，具体涉及一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构，属于工程减振降噪技术领域。
背景技术
金字塔点阵结构由于具有高比强度、高比刚度及低密度等特性在航空航天领域有广泛的应用前景。随着飞行器飞行环境复杂层度的不断加深，在飞行器结构设计中，减振降噪性能也是衡量点阵结构实用性的一项重要指标。传统金字塔点阵梁结构减振和降噪效果不理想。
发明内容
本发明为解决传统金字塔点阵梁结构减振和降噪效果不理想的问题，进而提出一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
所述一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构包括上板体、下板体、支撑组件和多个减振组件，上板体和下板体均是长条形板体，且上板体和下板体由上至下依次水平设置，多个所述支撑组件呈一字形设置在上板体的下表面和下板体的上表面之间，且每个所述支撑组件的上端与上板体的下表面固定连接，每个所述支撑组件的下端与下板体的上表面固定连接，每个所述支撑组件内均设有一个所述减振组件。
进一步地，每个所述支撑组件是由四个支撑杆组成的金字塔形结构，每个支撑杆的上端与上板体的下表面固定连接，每个支撑杆的下端与下板体的上表面固定连接。
进一步地，每个所述减振组件包括圆柱质量块和橡胶柱，橡胶柱设置在所述金字塔形结构内，且橡胶柱的下端与下板体的上表面固定连接，圆柱质量块固定安装在橡胶柱的上端。
进一步地，所述橡胶柱为圆柱型橡胶薄片。
进一步地，所述圆柱质量块为钢制实心圆柱体。
进一步地，圆柱质量块的半径为橡胶柱半径的二倍。
本发明的有益效果是：
1、金字塔点阵基梁采用3D打印技术一体成型，保证了实验的准确性；
2、保证了金字塔点阵基梁与橡胶柱粘接面、橡胶柱与圆柱质量块粘接面稳固相连，使相应位移协调连续。
3、本发明通过安装橡胶柱和圆柱质量块组合振子结构，扩大了结构振动带隙的范围，达到更好的减振降噪效果。
4、本发明可以通过改变质量块尺寸及安装位置参数，将局域共振带隙与布拉格带隙耦合，实现金字塔点阵梁结构的多频段减振，在不同的频率范围内获得良好的减振效果。
5、本发明所需材料均为常见材料，造价低廉，易于工程结构上推广应用。
附图说明
图1是本发明的整体结构主视图；
图2是图1的左视图；
图3是图1的右视图；
图4是图1的立体图；
图5是单胞的主视图；
图6是图5的俯视图；
图7是图5的左视图；
图8是图5的立体图；
图9是新型周期金字阵超材料梁的振动带隙曲线图；
图10是不同外激励频率下结构的位移云图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述的一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构包括上板体1、下板体2、支撑组件和多个减振组件，上板体1和下板体2均是长条形板体，且上板体1和下板体2由上至下依次水平设置，多个所述支撑组件呈一字形设置在上板体1的下表面和下板体2的上表面之间，且每个所述支撑组件的上端与上板体1的下表面固定连接，每个所述支撑组件的下端与下板体2的上表面固定连接，每个所述支撑组件内均设有一个所述减振组件。
具体实施方式二：结合图5至图6说明本实施方式，本实施方式每个所述支撑组件是由四个支撑杆3组成的金字塔形结构，每个支撑杆3的上端与上板体1的下表面固定连接，每个支撑杆3的下端与下板体2的上表面固定连接。
其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式每个所述减振组件包括圆柱质量块4和橡胶柱5，橡胶柱5设置在所述金字塔形结构内，且橡胶柱5的下端与下板体2的上表面固定连接，圆柱质量块4固定安装在橡胶柱5的上端。
其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述橡胶柱5为圆柱型橡胶薄片。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述圆柱质量块4为钢制实心圆柱体。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述圆柱质量块4的半径为橡胶柱5半径的二倍。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1至图10说明本实施方式：橡胶柱5是一块圆柱橡胶薄片，其下表面的圆心与下板体2的上表面形心重合，并将两截面进行粘贴；质量块4为钢制实心圆柱，该圆柱的半径为橡胶柱5半径的2倍，质量块4下表面的圆心与橡胶柱5上表面的圆心重合，并将两截面进行粘贴。
当单胞材料的上下板体和支撑杆3的单胞材料和几何参数固定时，可设计不同结构参数的橡胶柱5和质量块4粘接组成不同的局域共振单元，通过调节局域共振单元的固有频率来改变振动带隙的位置，并且通过布拉格带隙和局域共振带隙的相互作用实现振动带隙的展宽。本发明所设计的新型周期金字塔点阵超材料梁局域共振单元安装便捷，且容易调节共振单元的结构参数以获得不同的减振特性。本发明各结构件用料均为常用工程材料，整个结构容易拆卸，置换零件方便，经济可行。
1、计算实例：
金字塔点阵基梁单胞上下面板的长度、宽度和厚度分别为a＝0.05m，b＝0.05m，hf＝0.001m，芯子高度hc＝0.031m，金字塔单胞沿长度方向数量为18个。金字塔杆件的半径和倾斜角度分别为rc＝0.001m，αc＝45°。金字塔点阵基梁的材料参数为：ρp＝930kg/m3，μp＝0.4，Ep＝1.75×109N/m2。橡胶柱的几何和材料参数为：rx＝0.005m，hx＝0.003m，ρx＝1300kg/m3，μx＝0.47，Ex＝1.175×105N/m2。圆柱质量块的几何尺寸和材料参数分别为：rm＝0.01m，hm＝0.01m，ρm＝7850kg/m3，μm＝0.3，Em＝210×109N/m2。
2、计算过程
(1)基于新型周期金字塔点阵超材料梁的几何尺寸和材料参数，建立超材料梁结构的数值计算模型。
(2)在金字塔点阵超材料梁的左端施加正弦激励，右端拾取结构的位移响应，对周期金字塔点阵超材料梁进行谐响应分析。
(3)定义频响系数
Figure BDA0002540342160000041
其中d1为结构左端施加激励点的位移，d2为结构右端拾取点的位移。
(4)求解新型周期金字塔点阵超材料梁结构在不同局域共振单元条件下的频响曲线，分析结构的带隙及减振特性。
计算得到新型周期金字塔点阵超材料梁结构的振动带隙曲线如图9所示，不同外激励频率下新型周期金字塔点阵超材料梁结构的位移云图如图10所示。
3.计算收益
本发明设计了一种适用于多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构，其不但能够保留传统金字塔点阵结构轻质及高比强度等优良特性，并且通过引入局域共振的思想，使其具有良好的振动带隙特性，可以阻止一定频率范围内弹性波的传播，达到减振降噪的效果。该方法研究了振子的几何参数对周期金字塔点阵超材料梁带隙特性的影响，得到的有益结论能够为工程结构的多频段减振降噪设计提供良好的指导，具体结论如下：
(1)通过安装橡胶柱和质量块组合振子结构，能够扩大结构振动带隙的范围，达到更好的减振降噪效果。
(2)在77Hz-133Hz、154Hz-215Hz及378Hz-576Hz频率范围内，周期金字塔点阵超材料梁结构具有良好的减振效果。
(3)通过改变质量块尺寸及安装位置等参数，可以将局域共振带隙与布拉格带隙耦合，实现金字塔点阵梁结构的多频段减振，在不同的频率范围内获得很好的减振效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构，其特征在于：所述一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构包括上板体(1)、下板体(2)、支撑组件和多个减振组件，上板体(1)和下板体(2)均是长条形板体，且上板体(1)和下板体(2)由上至下依次水平设置，多个所述支撑组件呈一字形设置在上板体(1)的下表面和下板体(2)的上表面之间，且每个所述支撑组件的上端与上板体(1)的下表面固定连接，每个所述支撑组件的下端与下板体(2)的上表面固定连接，每个所述支撑组件内均设有一个所述减振组件。
2.根据权利要求1所述一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构，其特征在于：每个所述支撑组件是由四个支撑杆(3)组成的金字塔形结构，每个支撑杆(3)的上端与上板体(1)的下表面固定连接，每个支撑杆(3)的下端与下板体(2)的上表面固定连接。
3.根据权利要求1或2所述一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构，其特征在于：每个所述减振组件包括圆柱质量块(4)和橡胶柱(5)，橡胶柱(5)设置在所述金字塔形结构内，且橡胶柱(5)的下端与下板体(2)的上表面固定连接，圆柱质量块(4)固定安装在橡胶柱(5)的上端。
4.根据权利要求3所述一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构，其特征在于：所述橡胶柱(5)为圆柱型橡胶薄片。
5.根据权利要求3所述一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构，其特征在于：所述圆柱质量块(4)为钢制实心圆柱体。
6.根据权利要求5所述一种多频段减振的新型周期金字塔点阵超材料梁结构，其特征在于：圆柱质量块(4)的半径为橡胶柱(5)半径的二倍。
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