[發明專利]一種雙層金字塔型輕質減振超材料點陣結構

有效

• 申請號: 202011200568.X
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112324827B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 李冰;李昊;胡亞斌;黃河源;王文智;侯赤;趙美英;萬小朋
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F16F1/366
• 分類號: F16F1/366
• 代理公司: 北京鼎德寶專利代理事務所(特殊普通合伙) 11823
• 代理人: 鐘西飛

本發明涉及工程結構減振技術領域，具體涉及一種雙層金字塔型輕質減振超材料點陣結構，該超材料點陣結構由二維周期排列的單胞組成，所述單胞基于雙層金字塔型點陣結構衍生設計，包括上下面板、設置在上下面板之間的8根雙層金字塔型夾芯圓桿、以及嵌入在的8根雙層金字塔型夾芯圓桿交點的球形共振單元，所述上下面板、雙層金字塔型夾芯圓桿、球形共振單元均采用玻璃纖維增強(GFR)尼龍材料。本發明通過在雙層金字塔型輕質減振超材料點陣結構中嵌入周期排列的圓形共振單元來產生寬頻帶隙，從而達到減振的目的，所述結構具有輕質?減振功能一體化、減振頻率范圍寬、易于制造、具有良好承載能力、不改變結構外部幾何特性等特點。

技術領域

本發明涉及工程結構減振技術領域，具體涉及一種雙層金字塔型輕質減振超材料點陣結構。

背景技術

夾芯三明治板主要由上下面板和內部的輕質核組成，具有質量輕、比強度和比剛度高等特性。作為夾芯三明治結構的一種，輕質點陣結構內部大量的互聯空間使其具備了易設計性和多功能性等特點，可以在保證承載能力的基礎上實現隔熱、吸能等功能的融合。目前關于輕質點陣結構的研究主要集中在結構的制備方法和力學特性等方面，相比于單層夾芯點陣結構，多層夾芯點陣結構具備更加優良的承載、抗爆炸和抗沖擊性能，但關于其減振特性，特別是低頻范圍內振動控制的研究卻非常匱乏。在工程應用中，劇烈的振動會嚴重影響結構的穩定性，造成結構的損壞和整體性能的失效。因此，如何利用輕質點陣結構進行承載減振多功能設計，一直是航空航天等科學領域和工程界共同關注的熱點課題。

近年來，“超材料”概念的提出與飛速發展為工程中的輕質點陣結構的振動控制提供了全新的思路。超材料是一種特殊的人工合成結構，通過對其關鍵子結構的微妙設計，使其在動態響應時可獲得自然界材料所不具備的、超常規的、全新等效物理性質。作為一類典型的超材料，局域共振超材料憑借局域共振產生的振動帶隙，可有效突破低頻振動噪聲控制中存在的技術瓶頸，實現亞波長尺度下對低頻振動的有效抑制。

目前薄板型超材料結構主要是通過添加共振單元來獲得彈性波帶隙，但具有不同材料的共振單元使輕質點陣結構的制造工藝變得更加復雜，極大的增加了結構的質量，不利于超材料結構在航空等工程領域的應用。如何設計一種制備工藝簡單且具有低頻寬帶減振特性的承載減振功能一體化輕質點陣結構，仍有待進一步研究，實現超材料在航空等工程領域的應用價值也是未來超材料發展的重要方向之一。

發明內容

針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明提供了一種雙層金字塔型輕質減振超材料點陣結構，通過在結構內部添加使用同種材料的共振單元，使該超材料輕質點陣結構在低頻范圍內具有良好的寬帶減振特性，所述結構可在低頻范圍內產生兩條彈性波帶隙，從而達到在低頻范圍內高效減振的目的，并且所述結構具備輕質點陣結構良好的承載特性和吸能特性，可以在高效減振的基礎上，實現多功能一體化的目的。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種雙層金字塔型輕質減振超材料點陣結構，由二維周期排列的單胞組成，所述單胞基于雙層金字塔型點陣結構衍生設計，包括上下面板、設置在上下面板之間的8根雙層金字塔型夾芯圓桿、以及嵌入在的8根雙層金字塔型夾芯圓桿交點的球形共振單元。

進一步地，所述上下面板、雙層金字塔型夾芯圓桿、球形共振單元均采用玻璃纖維增強(GFR)尼龍材料，可采用3D打印技術制造。

進一步地，所述單胞的邊長和厚度均為a＝40mm，上下面板的厚度e＝2.5mm，內部雙層金字塔型夾芯圓桿的直徑r＝4mm，所述雙層金字塔型夾芯圓桿與上下面板夾角均為38度，球形共振單元的直徑R＝30mm。

進一步地，所述點陣結構產生的兩條彈性波禁帶主要與球形共振單元和上下面板的局域共振有關，改變點陣結構的面板厚度e和球形共振單元直徑R，可使輕質超材料點陣結構具有不同頻率范圍的彈性波禁帶，在彈性波禁帶內，振動的傳播被有效抑制。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：