CN113982183A - 一种禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁 - Google Patents

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CN113982183A CN202111244044.5A CN202111244044A CN113982183A CN 113982183 A CN113982183 A CN 113982183A CN 202111244044 A CN202111244044 A CN 202111244044A CN 113982183 A CN113982183 A CN 113982183A
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Abstract

本申请提供一种禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁。本申请的夹芯梁包括相互平行设置的第一、第二基础梁，还包括设置在上述两基础梁之间的金字塔夹芯3，设置在金字塔夹芯内部的X型局域振子结构4，以及固定于金字塔夹芯外部下方的转动支座5。本申请在原有周期夹芯结构基础上，加入由X型局域振子结构4构成的局域共振微结构，在周期设计中运用局域共振思想设计超材料梁，适用于结构超低频段以及高频段减振需求以及结构带隙研究。本申请的超材料点阵夹芯结构能够同时实现超低频以及高频范围内的波衰减，能够被广泛应用到工程和生活中，具有十分明显的减振效果，能够满足多频段下减振及其性能优化需求。

Description

一种禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁
技术领域
本申请涉及结构振动，具体而言涉及一种禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁。
背景技术
在实际工程中虽然轻质夹芯结构已经得到了广泛的应用，但是如何在低频范围内控制这些结构中的波的传播和振动仍然是一个挑战。研究人员对轻质夹芯结构的动力行为进行了研究，但在现有文献中从未发现设计具有超材料特性的点阵夹芯梁来抑制低频范围内的振动。
此外，现有轻质夹芯梁体结构一般仅匹配于单一或较窄范围的共振带隙。现有梁结构阵子的固有频率调节范围有限，禁带频率区间很难设计到低频范围，因而减振效果有限，无法满足多频段下减振及对梁体结构性能优化的需求。
发明内容
本申请针对现有技术的不足，提供一种禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，本申请利用X型结构的非线性特性，灵活地增大或减小振子结构的刚度，进而改变局域共振带隙的位置，可以使超材料夹芯梁产生超低频带隙，适用于结构超低频段以及高频段减振需求。本申请具体采用如下技术方案。
首先，为实现上述目的，提出一种禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其包括：第一基础梁；第二基础梁，其与第一基础梁平行设置；金字塔夹芯，其固定连接在第一基础梁与第二基础梁之间，包括若干金字塔单元，每个金字塔单元均分别包括若干支杆，每个金字塔单元中的支杆均分别由第二基础梁的顶部汇合至第一基础梁底部形成金字塔顶点；X型局域振子结构，其一端与金字塔顶点固定连接，其另一端悬挂设置在金字塔单元中部，所述X型局域振子结构在平衡位置微幅振动以匹配于其结构尺寸的禁带频率提供隔振作用；转动支座，其固定设置在第二基础梁的底部，位于各金字塔单元的下方，至少部分所述转动支座的底部与地面铰接，通过设置于转动支座中部的转动结构提供横向和纵向的两个自由度。
可选的，如上任一所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其中，每个所述金字塔单元均分别包括4根支杆，4根支杆的底部焊接固定于第二基础梁的上表面，其中2根支杆的底部连接于第二基础梁的前部，其中另2根支杆的底部连接于第二基础梁的后部，4根支杆的顶部相对于第一基础梁的下表面以相同角度汇合并焊接固定于第一基础梁下表面所设的梯形结构上。
可选的，如上任一所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其中，各所述金字塔单元等间距均匀直线排列在第一基础梁与第二基础梁之间。
可选的，如上任一所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其中，所述X型局域振子结构包括：连接螺柱，其顶部焊接固定于梯形结构的底部；4根连杆，其端部相互转动连接形成菱形结构，菱形结构的顶端转动连接于连接螺柱的底端；质量块，其连接于菱形结构的底端；弹簧，其连接于菱形结构的中间两端，横向设置在连接螺柱与质量块之间。
可选的，如上任一所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其中，所述转动支座包括：铰接支撑，其顶端与第二基础梁的下表面焊接固定，其底端设置有安装通孔；第二连接螺柱，其横向水平安装于铰接支撑底部的安装通孔之间；连杆螺栓，其拧接固定于第二连接螺柱的两端，设置在铰接支撑底部安装通孔的外侧；弹簧垫片，其抵接设置在连杆螺栓与铰接支撑底部安装通孔之间；下摆，其可转动地连接于第二连接螺柱的中部；地脚螺栓，其可转动地连接于下摆的底部下方。
可选的，如上任一所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其中，设置于第二基础梁末端的至少一个所述转动支座通过其地脚螺栓与平面固定连接，其余转动支座通过其地脚螺栓与地面铰接。
可选的，如上任一所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其中，所述第二连接螺柱的设置方向与弹簧的设置方向相同。
可选的，如上任一所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其中，所述下摆的顶部与第二连接螺柱转动连接，所述下摆的底部设置为中空结构；地脚螺栓的顶部由下方贯穿中空结构的底部并以垂直于第二连接螺柱的方向设置在中空结构内，地脚螺栓的底部与平面固定连接或与地面铰接。
可选的，如上任一所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其中，所述第二连接螺柱的设置方向与弹簧的设置方向均垂直于第一基础梁、第二基础梁的长轴方向。
有益效果
本申请夹芯梁包括相互平行设置的第一、第二基础梁，还包括设置在上述两基础梁之间的金字塔夹芯3，设置在金字塔夹芯内部的X型局域振子结构4，以及固定于金字塔夹芯外部下方的转动支座5。本申请在原有周期夹芯结构基础上，加入由X型局域振子结构4构成的局域共振微结构，在周期设计中运用局域共振思想设计超材料梁，适用于结构超低频段以及高频段减振需求以及结构带隙研究。本申请的超材料点阵夹芯结构能够同时实现超低频以及高频范围内的波衰减，能够被广泛应用到工程和生活中，具有十分明显的减振效果，能够满足多频段下减振及其性能优化需求。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。
附图说明
附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：
图1为本发明装置的单元结构的主视图。
图2为本发明装置的单元结构的左视图。
图3为本发明装置的单元结构的左右二等角轴测图。
图4为本发明装置的单元结构中连接螺柱主视图。
图5为本发明装置的单元结构中连接螺柱仰视图。
图6为本发明装置的结构主视图。
图7为本发明装置的结构左视图。
图8为本发明装置的结构仰视图。
图9为本发明装置的结构等轴测视图。
图10为本发明装置的铰接结构主视图。
图11为本发明装置的铰接结构仰视图。
图12为本发明装置的铰接结构左视图。
图13为本发明装置的铰接结构等轴测视图。
图中，1表示第一基础梁；2表示第二基础梁；3表示金字塔夹芯；4表示X型局域振子结构；5表示转动支座；6表示第一连接螺柱；7表示连杆；8表示弹簧；9表示质量块；10表示铰接支撑；11表示连杆螺栓；12表示弹簧垫片；13表示地脚螺栓；14表示第二连接螺柱；15表示下摆。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“内、外”的含义指的是相对于夹芯梁本身而言，由第一基础梁或第二基础梁表面指向弹簧中部的方向为内，反之为外；而非对本申请的装置机构的特定限定。
本申请中所述的“左、右”的含义指的是使用者正对夹芯梁时，使用者的左边即为左，使用者的右边即为右，而非对本申请的装置机构的特定限定。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
本申请中所述的“上、下”的含义指的是使用者正对夹芯梁时，由地脚螺栓指向第一基础梁的方向即为上，反之即为下，而非对本申请的装置机构的特定限定。
本申请中所述的“前、后”的含义指的是使用者正对夹芯梁时，夹芯梁接近于使用者的一侧即为前，背离使用者的一侧即为后，而非对本申请的装置机构的特定限定。
图6为根据本申请的一种禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其包括：
第一基础梁1；
第二基础梁2，其与第一基础梁1平行，设置在第一基础梁的下方，具有与第一基础梁完全相同的尺寸和材料；
金字塔夹芯3，其固定连接在第一基础梁1与第二基础梁2之间，包括若干如图1至图3所示金字塔单元，每个金字塔单元均分别包括若干支杆，每个金字塔单元中的支杆均分别由第二基础梁2的顶部汇合至第一基础梁底部形成金字塔顶点，各金字塔单元周期分布与第一第二基础梁连接起来组成点阵夹心梁的基体结构；
X型局域振子结构4，其以图7所示方式将一端与金字塔顶点固定连接，其另一端悬挂设置在金字塔单元中部，所述X型局域振子结构4在平衡位置微幅振动以匹配于其结构尺寸的禁带频率提供隔振作用；
转动支座5，其以图9所示方式固定设置在第二基础梁2的底部，位于各金字塔单元的下方，至少部分所述转动支座5的底部与地面铰接，通过设置于转动支座5中部的转动结构提供横向和纵向的两个自由度。
由于本申请采用了非线性的X型局域振子结构的超材料构建点阵夹芯梁模型，该X型结构具有独特的非线性特性，可以通过对其部件结构、材料的灵活选择而相应地增大或减小振子结构的刚度，进而改变局域共振带隙的位置，可以使该超材料夹芯梁产生超低频带隙。相对复杂的点阵夹芯结构给超材料夹芯梁的建模带来了很大的困难，本研究利用Hamilton原理对X型结构局域振子进行动力学建模，并结合谱单元法计算超材料夹芯梁的带隙特性，可有效提高振动仿真效率，并在周期设计中运用局域共振单元设计出分别适用于项目要求的具有不同超低频段以及高频段减振效果以及结构带隙的超材料梁。本申请的超材料点阵夹芯结构能够同时实现超低频以及高频范围内的波衰减，能够被广泛应用到工程和生活中，具有十分明显的减振效果，能够满足多频段下减振及其性能优化需求。
图具体以图1、图2以及图3中所示的金字塔单元结构为例，本申请可将各金字塔单元结构分别设置为由4根支杆连接形成。4根支杆的底部可分别焊接固定于第二基础梁2的上表面，其中2根支杆的底部连接于第二基础梁2的前部，其中另2根支杆的底部连接于第二基础梁2的后部，4根支杆的顶部相对于第一基础梁1的下表面以相同角度汇合并焊接固定于第一基础梁1下表面所设的梯形结构的侧壁上。
该各所述金字塔单元可等间距均匀直线排列在第一基础梁1与第二基础梁2之间以为整个梁体结构提供减震效果。
上述各金字塔单元的中间可以图6、图7方式设置所述X型局域振子结构4。各X型局域振子结构4均分别包括：
连接螺柱6，其结构如图4及图5所示，具有较大尺寸的顶部以及较为纤细的悬挂底端，该连接螺柱6的顶部焊接固定于梯形结构较窄的底部；
4根连杆7，其端部以图7方式通过螺栓相互转动连接形成菱形结构，并且，还菱形结构的顶端可通过连接螺柱底部的安装孔利用螺钉转动连接于连接螺柱6的下方；
质量块9，其顶端通过螺栓连接于菱形结构的底端
弹簧8，其连接于菱形结构的中间两端，横向设置在连接螺柱6与质量块9之间。
由此，上述X型局域振子结构4以及其所连接的第一第二基础梁能够构成等效质量-弹簧系统，共在梁上排列8个上述等效质量-弹簧单元结构，使得本申请可以通过参数化设计方式调节X型局域振子结构4连杆长度、材料机械强度、弹簧力度以及质量块配重以调节超材料梁的带隙，获得更低或更高的带隙，从而增加带隙的可调性并控制振动或弹性波的传播。在调节质量块9，弹簧8和连杆的参数时，振子的刚度也会改变，从而阵子的固有频率也会跟着改变，达到调节带隙的作用。结构的整体刚度的变化和质量块9质量的变化会导致X型局域振子结构4在平衡位置微幅振动的的固有频率发生变化。该固有频率与超材料夹芯梁结构的禁带频率密切相关。故在实验过程中调节以上参数，可以获得不同的禁带频率。在该禁带频率区间，超材料梁具有隔振的作用。
在具体设置时，本申请还可将所述转动支座5设置为通过图7、图8、图10结构实现：
铰接支撑10，其以图10方式将顶端与第二基础梁2的下表面焊接固定，并在其底端设置有安装通孔；
第二连接螺柱14，其以图11所示方式横向水平安装于铰接支撑10底部的安装通孔之间；
连杆螺栓11，其拧接固定于第二连接螺柱14的两端，设置在铰接支撑10底部安装通孔的外侧；
弹簧垫片12，其抵接设置在连杆螺栓11与铰接支撑10底部安装通孔之间；
下摆15，其以图12所示方式可转动地连接于第二连接螺柱14的中部，位于两个铰接支撑底端安装通孔之间，其顶部与第二连接螺柱14转动连接，并将所述下摆的底部设置为中空结构；
地脚螺栓13，其可转动地连接于下摆15的底部下方，并将地脚螺栓13的顶部由下方贯穿中空结构的底部并以垂直于第二连接螺柱14的方向设置在中空结构内。
由此，本申请可将设置于第二基础梁2末端的至少一个所述转动支座5通过其地脚螺栓13与平面固定连接，而将其余转动支座5通过其地脚螺栓13与地面铰接，并通过第二连接螺柱以及地脚螺栓13的转动提供两个方向的可转动的自由度。本申请在设置安装时可将所述第二连接螺柱14与弹簧8均分别设置为垂直于第一基础梁1、第二基础梁2的长轴方向。此时，铰接支撑10焊接在第二基础梁2上二者组成连接体；下摆15通过第二连接螺柱14用连杆螺栓11与铰接支撑10相连接；地脚螺栓13与下摆15相连使其组合成一个整体。共有5个转动支座5与第二基础梁2焊接在下摆15下方打螺纹孔，最左侧通过螺栓与平面进行固定实现固接。剩余四个转动支座5与地面铰接，有横向和纵向的转动两个自由度。
而转动支座5上方，位于第一第二基础梁之间的金字塔单元则可以通过4根斜跨杆相交于一点进行焊接，且一个平面内四根支杆均以相同的角度相对于水平方向倾斜组成金字塔夹芯3而实现。金字塔夹芯3内部的X型局域振子结构4中，第一连接螺柱6通过焊接技术与金字塔塔顶连接，4根连杆7通过螺栓连接组成一个菱形结构并通过螺钉与连接螺柱6下端相连，组成的菱形结构通过小螺柱与其通孔相配合，弹簧8置于内部；通过改变连杆7间的角度可以置换不同的弹簧长度；在下端通过螺栓连接一个质量块9。X型局域振子结构4解释为等效质量-弹簧系统。单个金字塔夹芯3和单个X型局域振子结构4以及上下梁组合成一个单元结构，整个结构共有8个上述单元结构组成，以通过参数化设计调节超材料梁的带隙以获得更低或更高的带隙，从而增加带隙的可调性并控制振动或弹性波的传播。在调节质量块（9），弹簧（8）和连杆的参数时，振子的刚度也会改变，从而阵子的固有频率也会跟着改变，达到调节带隙的作用。
综上，本申请所提供的超材料点阵夹芯梁结构设计简单，造价也较便宜，能起到明显的低频减振降噪效果，与此同时还能保证结构具有足够高的强度等静力学性能。该结构不仅能够验证理论及仿真结果，且能够被广泛应用到工程和生活中，具有十分明显的减振效果，能够满足多频段下减振及其性能优化需求。其具有如下优势：
1、保证了支点处可以转动，实现了铰支的边界条件。
2、通过对局域振子的连杆长度以及粗细进行调节，从而可以研究参数对超材料夹芯梁系统振动带隙优化的影响。
3、保证了结构的设计灵活性，通过调整弹簧刚度优化结构动力学特性。
4、本发明试件均使用机械加工手段而成，且所需材料均为常见材料，设计成本较低。
以上仅为本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其特征在于，包括：
第一基础梁（1）；
第二基础梁（2），其与第一基础梁（1）平行设置；
金字塔夹芯（3），其固定连接在第一基础梁（1）与第二基础梁（2）之间，包括若干金字塔单元，每个金字塔单元均分别包括若干支杆，每个金字塔单元中的支杆均分别由第二基础梁（2）的顶部汇合至第一基础梁底部形成金字塔顶点；
X型局域振子结构（4），其一端与金字塔顶点固定连接，其另一端悬挂设置在金字塔单元中部，所述X型局域振子结构（4）在平衡位置微幅振动以匹配于其结构尺寸的禁带频率提供隔振作用；
转动支座（5），其固定设置在第二基础梁（2）的底部，位于各金字塔单元的下方，至少部分所述转动支座（5）的底部与地面铰接，通过设置于转动支座（5）中部的转动结构提供横向和纵向的两个自由度。
2.如权利要求1所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其特征在于，每个所述金字塔单元均分别包括4根支杆，4根支杆的底部焊接固定于第二基础梁（2）的上表面，其中2根支杆的底部连接于第二基础梁（2）的前部，其中另2根支杆的底部连接于第二基础梁（2）的后部，4根支杆的顶部相对于第一基础梁（1）的下表面以相同角度汇合并焊接固定于第一基础梁（1）下表面所设的梯形结构上。
3.如权利要求2所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其特征在于，各所述金字塔单元等间距均匀直线排列在第一基础梁（1）与第二基础梁（2）之间。
4.如权利要求2所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其特征在于，所述X型局域振子结构（4）包括：
连接螺柱（6），其顶部焊接固定于梯形结构的底部；
4根连杆（7），其端部相互转动连接形成菱形结构，菱形结构的顶端转动连接于连接螺柱（6）的底端；
质量块（9），其连接于菱形结构的底端
弹簧（8），其连接于菱形结构的中间两端，横向设置在连接螺柱（6）与质量块（9）之间。
5.如权利要求2所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其特征在于，所述转动支座（5）包括：
铰接支撑（10），其顶端与第二基础梁（2）的下表面焊接固定，其底端设置有安装通孔；
第二连接螺柱（14），其横向水平安装于铰接支撑（10）底部的安装通孔之间；
连杆螺栓（11），其拧接固定于第二连接螺柱（14）的两端，设置在铰接支撑（10）底部安装通孔的外侧；
弹簧垫片（12），其抵接设置在连杆螺栓（11）与铰接支撑（10）底部安装通孔之间；
下摆（15），其可转动地连接于第二连接螺柱（14）的中部；
地脚螺栓（13），其可转动地连接于下摆（15）的底部下方。
6.如权利要求4所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其特征在于，设置于第二基础梁（2）末端的至少一个所述转动支座（5）通过其地脚螺栓（13）与平面固定连接，其余转动支座（5）通过其地脚螺栓（13）与地面铰接。
7.如权利要求1-5所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其特征在于，所述第二连接螺柱（14）的设置方向与弹簧（8）的设置方向相同。
8.如权利要求6-7所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其特征在于，所述下摆（15）的顶部与第二连接螺柱（14）转动连接，所述下摆的底部设置为中空结构；
地脚螺栓（13）的顶部由下方贯穿中空结构的底部并以垂直于第二连接螺柱（14）的方向设置在中空结构内，地脚螺栓（13）的底部与平面固定连接或与地面铰接。
9.如权利要求7-8所述的禁带频率可调的减振超材料点阵夹芯梁，其特征在于，所述第二连接螺柱（14）的设置方向与弹簧（8）的设置方向均垂直于第一基础梁（1）、第二基础梁（2）的长轴方向。
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