CN117316135A - 一种结合声子晶体的夹芯板结构 - Google Patents

一种结合声子晶体的夹芯板结构 Download PDF

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Abstract

一种结合声子晶体的夹芯板结构，属于减振降噪技术领域，本发明为了解决现有声子晶体在低频范围内产生带隙时，存在尺寸大且带隙宽度窄的问题，本申请所述夹芯板结构包括上层薄板、下层薄板和M个中间夹心层，M为正整数，所述上层薄板与下层薄板上下相对设置，多个中间夹心层由上至下依次堆叠在上层薄板与下层薄板之间，且位于最上方的中间夹心层与上层薄板的下表面固定连接，位于最下方的中间夹心层与下层薄板的上表面固定连接，多个中间夹心层之间设有连接层，连接层的顶部与位于其上方的中间夹心层固定连接，连接层的底部与位于其下方的中间夹心层固定连接，中间夹心层包括多个声子晶体单元，多个声子晶体单元呈矩形方阵设置。

Description

一种结合声子晶体的夹芯板结构
技术领域
本发明属于减振降噪技术领域，具体涉及一种结合声子晶体的夹芯板结构。
背景技术
声子晶体是具有弹性波带隙的人工复合材料或周期结构。由于其带隙特性，近年来广受关注。处于声子晶体的禁带频率范围时，弹性波的传播受到阻碍，而在通带频率范围内，弹性波可以正常传播。因此，声子晶体在减振降噪领域具有广阔的应用前景。
工程实际应用中，许多工程装备面临振动问题，许多精密机械对减振的要求更为严格，利用声子晶体的带隙特性，将其运用于隔振结构中，可以达到良好的减振效果。目前，声子晶体在低频范围内产生带隙，存在尺寸大且带隙宽度窄的问题。
发明内容
本发明为了解决现有声子晶体在低频范围内产生带隙时，存在尺寸大且带隙宽度窄的问题，进而提供一种结合声子晶体的夹芯板结构；
一种结合声子晶体的夹芯板结构，所述夹芯板结构包括上层薄板、下层薄板和M个中间夹心层，M为正整数，所述上层薄板与下层薄板上下相对设置，多个中间夹心层由上至下依次堆叠在上层薄板与下层薄板之间，且位于最上方的中间夹心层与上层薄板的下表面固定连接，位于最下方的中间夹心层与下层薄板的上表面固定连接，多个中间夹心层之间设有连接层，连接层的顶部与位于其上方的中间夹心层固定连接，连接层的底部与位于其下方的中间夹心层固定连接；
所述中间夹心层包括多个声子晶体单元，多个声子晶体单元呈矩形方阵设置，矩形方阵中每个长边侧设有P个声子晶体单元，矩形方阵中每个宽边侧设有Q个声子晶体单元，P为正整数，Q为正整数。
进一步地，所述声子晶体单元包括十字梁、四个连接梁和四个填充子单元，所述四个填充子单元分别填充在十字梁中的一个三角形间隙中，且每个填充子单元与十字梁固定连接，四个填充子单元和十字梁构成正方形声子晶体主体，每个连接梁与正方形声子晶体主体中一个外侧边壁的中心出固定连接，矩形方阵中相邻的两个声子晶体单元之间通过对应的连接梁固定连接；
进一步地，所述填充子单元包括多个实体梁，多个实体梁沿正方形声子晶体主体的边缘向正方形声子晶体主体的中心处依次等距设置，且越靠近中心的实体梁长度越短，每个实体梁的两端均与十字梁固定连接；
进一步地，所述M的取值范围M≥1；
进一步地，所述P的取值范围P≥1；
进一步地，所述Q的取值范围Q≥1；
进一步地，所述连接层包括多个连接小长方体，每个连接小长方体设置在相邻两个中间夹心层中位于对角线处上下相对的两个声子晶体单元之间，且每个连接小长方体的顶端与对应的上层声子晶体单元中十字梁的中心处固定连接，每个连接小长方体的底端与对应的下层声子晶体单元中十字梁的中心处固定连接：
进一步地，位于相邻两层的两个连接层中位于上层连接层上的每个连接小长方体与位于下层连接层上的每个连接小长方体均为错位设置；
进一步地，所述连接梁、十字梁和实体梁三者的材质相同；
进一步地，所述连接梁、十字梁和实体梁的材质均为光敏树脂、环氧树脂和PLA材料中的任意一种；
本申请相对于现有技术所产生的有益效果：
本申请提出的一种结合声子晶体的夹芯板结构，将声子晶体结构融合入夹芯板中，可以阻止特定频率范围内的弹性波传播，从而达到减振效果，与传统的结构排布相比，可以减小结构的厚度，同时具有良好的减振效果，并且本申请所述夹芯板结构的带隙频率可设计、针对性强、效果好等优势。同时制作工艺简单，方便标准化生产。
附图说明
图1为本发明中结合声子晶体的夹芯板结构的示意图；
图2为本发明中声子晶体单元的主视示意图；
图3为本发明中声子晶体单元的轴侧示意图；
图4为本发明中中间夹心层的主视示意图；
图5为本发明中中间夹心层的轴侧示意图；
图6为本发明中所述的结合声子晶体的夹芯板结构夹芯层单胞的能带图；
图7为本发明中所述的结合声子晶体的夹芯板结构的频响图；
图中1上层薄板、2下层薄板、3声子晶体、31连接梁、32十字梁、33实体梁和4连接层。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式中提供了一种结合声子晶体的夹芯板结构，其特征在于：所述夹芯板结构包括上层薄板1、下层薄板2和M个中间夹心层，M为正整数，所述上层薄板1与下层薄板2上下相对设置，多个中间夹心层由上至下依次堆叠在上层薄板1与下层薄板2之间，且位于最上方的中间夹心层与上层薄板1的下表面固定连接，位于最下方的中间夹心层与下层薄板2的上表面固定连接，多个中间夹心层之间设有连接层4，连接层4的顶部与位于其上方的中间夹心层固定连接，连接层4的底部与位于其下方的中间夹心层固定连接；
所述中间夹心层包括多个声子晶体单元3，多个声子晶体单元3呈矩形方阵设置，矩形方阵中每个长边侧设有P个声子晶体单元3，矩形方阵中每个宽边侧设有Q个声子晶体单元3，P为正整数，Q为正整数。
具体实施方式二：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于，所述声子晶体单元3包括十字梁32、四个连接梁31和四个填充子单元，所述四个填充子单元分别填充在十字梁32中的一个三角形间隙中，且每个填充子单元与十字梁32固定连接，四个填充子单元和十字梁32构成正方形声子晶体主体，每个连接梁31与正方形声子晶体主体中一个外侧边壁的中心出固定连接，矩形方阵中相邻的两个声子晶体单元之间通过对应的连接梁31固定连接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于，所述填充子单元包括多个实体梁33，多个实体梁33沿正方形声子晶体主体的边缘向正方形声子晶体主体的中心处依次等距设置，且越靠近中心的实体梁33长度越短，每个实体梁33的两端均与十字梁32固定连接。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。
结合具体实施方式一和具体实施方式三说明，本申请提供的一种结合声子晶体的夹芯板结构，其设计目的是减少结构的厚度，同时具有良好的减振降噪的效果。基于此目的，本次设计结合声子晶体的夹芯板结构，将声子晶体结构融合至夹芯板之中，达到良好的减振降噪的效果；理想的周期结构模型一半在非周期方向具有无限尺寸，这种假设只有在入射波长远小于非周期尺寸时才合理。由于固体的材料中弹性波传播速度很快，实际工程中广泛使用梁板类结构均不满足这一要求，因此非周期方向有限尺寸的周期结构更有实际意义。声子晶体的为解决振动和噪声提供了新思路。声子晶体这是一种具有弹性波带隙特性的复合材料，在带隙范围内振动形式不能通过声子晶体，在工程领域有广泛的应用前景。
具体实施方式四：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于，所述M的取值范围M≥1。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同点在于，所述P的取值范围P≥1。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同点在于，所述Q的取值范围Q≥1。其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六不同点在于，所述连接层4包括多个连接小长方体，每个连接小长方体设置在相邻两个中间夹心层中位于对角线处上下相对的两个声子晶体单元之间，且每个连接小长方体的顶端与对应的上层声子晶体单元中十字梁32的中心处固定连接，每个连接小长方体的底端与对应的下层声子晶体单元中十字梁32的中心处固定连接。其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七不同点在于，位于相邻两层的两个连接层4中位于上层连接层4上的每个连接小长方体与位于下层连接层4上的每个连接小长方体均为错位设置。其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。
结合具体实施方式七和具体实施方式八说明，本申请中连接层中的连接小长方体的材质与连接梁31、十字梁32和实体梁33的材质相同，均为光敏树脂、环氧树脂和PLA材料中的任意一种，其中相邻两层中的连接小长方体均为错位设置的目的在于，是避免一个声子晶体单元3的上下两侧均又连接小长方体影响了声子晶体单元3缓冲振动的振动频率，并且连接小长方体并非必需设置在位于对角线处的声子晶体单元3，只是设置在此处位置相对更佳，实际使用时在保证相邻两层中间夹心层连接稳定的前提下，连接小长方体的位置可以在任何位置进行连接。
具体实施方式九：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式八不同点在于，所述连接梁31、十字梁32和实体梁33三者的材质相同。其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。
本实施方式中，连接梁31、十字梁32和实体梁33材质相同，有利于保证结构整体隔振的均一性，有效避免了由于材料不同进而影响结构了隔振效果的情况发生。
具体实施方式十：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式九不同点在于，所述连接梁31、十字梁32和实体梁33的材质均为光敏树脂、环氧树脂和PLA材料中的任意一种。其它组成和连接方式与具体实施方式九相同。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，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，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
工作原理
本发明在工作时先要确定周期结构的分布和周期结构中各个单胞的尺寸，结合图1和图2所示，本结构的材料采用光敏树脂。利用有限法对结构的带隙特性进行计算，h为每两层间的距离，a0为两层间连接体的宽度，h和a0可根据需要设计。此案例所涉及的几何参数见下表：
本发明在检测时有两种计算方式，第一种是计算单个单胞结构形成二维周期结构的带隙通过comsol软件的固体力学模块输入模型和材料参数置周期性边界条件的方式，结合Bloch定理，设置简约波矢在单个胞元的简约布里渊区扫掠，具体划分与计算参照上述定理，即可获得图7中所示的能带图，在能带图中无色散曲线的部分即为弹性波传播不到的带隙区域。第二种是在夹芯板的上面板施加一个正弦载荷，输出点选择在结构的下面板，频响曲线中位移衰减幅度较大的位置可看作结构产生带隙的频率段，同样可以研究结构的带隙特性。两种方式计算出的结构带隙频段具有一定的对比性。可见本发明的优越性隔振性能。

Claims (10)

1.一种结合声子晶体的夹芯板结构，其特征在于：所述夹芯板结构包括上层薄板(1)、下层薄板(2)和M个中间夹心层，M为正整数，所述上层薄板(1)与下层薄板(2)上下相对设置，多个中间夹心层由上至下依次堆叠在上层薄板(1)与下层薄板(2)之间，且位于最上方的中间夹心层与上层薄板(1)的下表面固定连接，位于最下方的中间夹心层与下层薄板(2)的上表面固定连接，多个中间夹心层之间设有连接层(4)，连接层(4)的顶部与位于其上方的中间夹心层固定连接，连接层(4)的底部与位于其下方的中间夹心层固定连接；
所述中间夹心层包括多个声子晶体单元(3)，多个声子晶体单元(3)呈矩形方阵设置，矩形方阵中每个长边侧设有P个声子晶体单元(3)，矩形方阵中每个宽边侧设有Q个声子晶体单元(3)，P为正整数，Q为正整数。
2.根据权利要求1所述的一种结合声子晶体的夹芯板结构，其特征在于：所述声子晶体单元(3)包括十字梁(32)、四个连接梁(31)和四个填充子单元，所述四个填充子单元分别填充在十字梁(32)中的一个三角形间隙中，且每个填充子单元与十字梁(32)固定连接，四个填充子单元和十字梁(32)构成正方形声子晶体主体，每个连接梁(31)与正方形声子晶体主体中一个外侧边壁的中心出固定连接，矩形方阵中相邻的两个声子晶体单元之间通过对应的连接梁(31)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种结合声子晶体的夹芯板结构，其特征在于：所述填充子单元包括多个实体梁(33)，多个实体梁(33)沿正方形声子晶体主体的边缘向正方形声子晶体主体的中心处依次等距设置，且越靠近中心的实体梁(33)长度越短，每个实体梁(33)的两端均与十字梁(32)固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种结合声子晶体的夹芯板结构，其特征在于：所述M的取值范围M≥1。
5.根据权利要求4所述的一种结合声子晶体的夹芯板结构，其特征在于：所述P的取值范围P≥1。
6.根据权利要求5所述的一种结合声子晶体的夹芯板结构，其特征在于：所述Q的取值范围Q≥1。
7.根据权利要求6所述的一种结合声子晶体的夹芯板结构，其特征在于：所述连接层(4)包括多个连接小长方体，每个连接小长方体设置在相邻两个中间夹心层中位于对角线处上下相对的两个声子晶体单元之间，且每个连接小长方体的顶端与对应的上层声子晶体单元中十字梁(32)的中心处固定连接，每个连接小长方体的底端与对应的下层声子晶体单元中十字梁(32)的中心处固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种结合声子晶体的夹芯板结构，其特征在于：位于相邻两层的两个连接层(4)中位于上层连接层(4)上的每个连接小长方体与位于下层连接层(4)上的每个连接小长方体均为错位设置。
9.根据权利要求8所述的一种结合声子晶体的夹芯板结构，其特征在于：所述连接梁(31)、十字梁(32)和实体梁(33)三者的材质相同。
10.根据权利要求9所述的一种结合声子晶体的夹芯板结构，其特征在于：所述连接梁(31)、十字梁(32)和实体梁(33)的材质均为光敏树脂、环氧树脂和PLA材料中的任意一种。
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