CN216430358U - 一种具有低频减振特性的十字椭圆弹性超材料结构 - Google Patents
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Abstract
一种具有低频减振特性的十字椭圆弹性超材料结构，包括内层的十字椭圆柱，在内层外围包裹着一层十字椭圆包覆层橡胶，且此包覆层结构外围有四个凸台，二维周期的排x方向和y方向均通过凸台平面连接，经过周期性分布形成镂空状结构。本实用新型具有优异的低频减振带隙特性以及良好的刚加工性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及减振降噪技术领域，特别涉及一种具有低频减振特性的十字椭圆弹性超材料结构。
背景技术
声子晶体是一种新型的人工结构功能材料，通过设计可以人为调控弹性波的传输，从而达到人们想要的带隙范围并且禁止这些范围内的波的传播。声子晶体已经广泛地应用于隔离噪声和振动，机械滤波器和导波管中。目前，声子晶体存在两种截然不同的禁带机制，即布拉格带隙机制和和局域共振型机制。布拉格带隙机理中声子晶体晶格常数与基体材料的禁带波长同数量级，这就限制了声子晶体晶格尺寸。2000年香港科技大学刘正猷提出局域共振型机制，他研究的一种三维三组元声子晶体结构包裹橡胶的铅球周期性地插入到环氧树脂中，晶格常数比基体材料中的禁带波长小两个数量级，成功地实现了小尺寸材料控制大波长声传播的目标。随后，局域共振机理的研究成为一个热点。Goffaux等人发现在包裹橡胶的铅柱周期性地插入到环氧树脂中的二维结构中存在狭窄的带隙。随后王刚把橡胶柱体插入到环氧树脂中由于橡胶本身的密度和弹性也得到了带隙。近年，一些学者对弹性波在周期粘附局域共振子的一维声子晶体结构中的传播特性进行了研究，并得到了期望的低频带隙。
在机械工程及建筑工程中，无法避免的会产生一些振动，特别是在精密仪器中，振动会极大的影响仪器的稳定性、精度以及运行的可靠性。传统具有低频宽带隙的超材料结构质量及体积均较大，且其使用了三种以上的材料复合而成，增加了工程应用的制造成本，很难在强度和刚度上满足工业要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种具有低频减振特性的十字椭圆弹性超材料结构，具有优异的低频减振带隙特性以及良好的刚加工性能。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种具有低频减振特性的十字椭圆弹性超材料结构，为由若干单胞结构组成的阵列，每个单胞结构由内层的十字椭圆柱1和包裹在在内层外围的十字椭圆橡胶包覆层2组成，且十字椭圆橡胶包覆层2外围有四个凸台平面3，二维周期的x方向和y方向均通过凸台平面3连接，经过周期性分布形成镂空状结构。
所述十字椭圆柱1由两个完全相同的椭圆柱呈90度相交组合得到。
所述十字椭圆橡胶包覆层2内边缘的几何参数与内层十字椭圆柱1的外边缘几何参数相同。
所述十字椭圆橡胶包覆层2由外十字椭圆柱去除内十字椭圆柱而成，所述十字椭圆柱截面由两个完全相同的椭圆正交而得。
所述十字椭圆包覆层2凸台宽度为2.5mm，且距离相交中心9.5mm。
所述内层十字椭圆柱1平面几何参数为长轴为18mm，短轴为6mm。
所述十字椭圆包覆层2外层圆柱平面几何参数为长轴20mm，短轴8mm。
所述十字椭圆柱1所用材料为钢，十字椭圆包覆层2高度均为5mm。
本实用新型的有益效果：
本实用新型比传统板类零件在刚度以及强度相同情况下质量更轻，并且可以产生低频宽带隙特性。相比于其他板类结构具有良好的加工制造优势以及低成本优势，本实用新型弹性超材料板状十字结构在机械工程及精密仪器上有潜在的应用，可以对机械仪器中低频的振动进行有效控制。
附图说明
图1为本实用新型的单胞结构示意图。
图2为本实用新型的二维排列图。
图3为本实用新型十字椭圆弹性超材料结构的能带图。
图4为本实用新型十字椭圆弹性超材料结构的频响函数曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步详细说明。
如图1、图2所示，本实用新型十字椭圆弹性超材料结构的一种实施方法，十字椭圆结构沿x，y方向通过凸台连接的4个周期排列，十字椭圆弹性超材料结构由内层十字椭圆柱1和外层十字椭圆包覆层2组成，其纵向截面均为正交椭圆，且正交椭圆完全相同，且包覆层内边缘几何参数与内层十字椭圆柱完全相同。内层十字椭圆柱截面几何参数为长轴18mm短轴6mm，外层十字椭圆包覆层外边缘截面椭圆几何参数为长轴20mm短轴8mm。凸台宽度为2.5mm，与正交中心距离为9.5mm，结构整体高度为5mm。所用材料为内层十字椭圆柱为钢，外层十字椭圆包覆层为橡胶具体材料参数如下：
| 材料 | 密度kg/m<sup>3</sup> | 杨氏模量量μ/Pa | 泊松比 |
| 钢 | 7890 | 2.09x10<sup>11</sup> | 0.269 |
| 橡胶 | 1300 | 1.175x10<sup>5</sup> | 0.47 |
从图3的能带图可以看出，此十字椭圆弹性超材料可以在207Hz-1487Hz内产生弹性波禁止带隙，此带隙频率低且带隙较宽。
从图4的频响函数曲线图可以看出，频响函数在207Hz-1487Hz范围内衰减，与图3能带图吻合。
可见，采用本实用新型的弹性超材料结构，可以在低频范围内产生带隙，从而在结构上对板类结构的振动和噪声进行有效的控制。
因此本实用新型十字椭圆弹性超材料结构可以应用于机械工程及建筑工程等领域，特别是应用于精密仪器和重要设备的隔振中，可以提高仪器的工作的精度和结构整体的稳定性。
Claims (8)
1.一种具有低频减振特性的十字椭圆弹性超材料结构，其特征在于，包括内层的十字椭圆柱(1)，在内层的十字椭圆柱(1)外围包裹着一层十字椭圆包覆层(2)，且此包覆层结构外围有四个凸台平面(3)，二维周期的x方向和y方向均通过凸台平面(3)连接，经过周期性分布形成镂空状结构。
2.根据权利要求1所述的一种具有低频减振特性的十字椭圆弹性超材料结构，其特征在于，所述十字椭圆柱(1)由两个完全相同的椭圆柱呈90度相交组合得到。
3.根据权利要求1所述的一种具有低频减振特性的十字椭圆弹性超材料结构，其特征在于，所述十字椭圆包覆层(2)内边缘的几何参数与内层十字椭圆柱(1)的外边缘几何参数相同。
4.根据权利要求1所述的一种具有低频减振特性的十字椭圆弹性超材料结构，其特征在于，所述十字椭圆包覆层(2)由外十字椭圆柱去除内十字椭圆柱而成，所述十字椭圆柱截面由两个完全相同的椭圆正交而得。
5.根据权利要求1所述的一种具有低频减振特性的十字椭圆弹性超材料结构，其特征在于，所述凸台平面(3)宽度为2.5mm，且距离相交中心9.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有低频减振特性的十字椭圆弹性超材料结构，其特征在于，所述内层十字椭圆柱(1)平面几何参数为长轴为18mm，短轴为6mm。
7.根据权利要求1所述的一种具有低频减振特性的十字椭圆弹性超材料结构，其特征在于，所述十字椭圆包覆层(2)外层圆柱平面几何参数为长轴20mm，短轴8mm。
8.根据权利要求1所述的一种具有低频减振特性的十字椭圆弹性超材料结构，其特征在于，所述内层十字椭圆柱(1)所用材料为钢，外层十字椭圆包覆层(2)为橡胶，高度均为5mm。
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2021
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