[发明专利]一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构

说明书

本发明涉及一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，该周期结构包括板基体，以及按照周期性或者拟周期性排列在所述板基体上凸起设置的m行n列的双稳态NES；其中双稳态NES由两个弹簧、一个阻尼器和一个小质量块组成；每个弹簧通过刚性固定端与板基体固结在一起；刚性固定端的轴线垂直于板基体的表面，弹簧一端与刚性固定端相连，另一端与小质量块相连；阻尼器一端与小质量块相连，另一端与板基体表面相连。与传统的隔振吸振结构相比，这种带有双稳态非线性能量阱的周期结构具有附加质量小、振动抑制频带宽、可完成定向靶能量传递、可靠性高、鲁棒性强、无需外界提供能源等优点，在冲击与冲击波防护领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种周期结构,特别是涉及一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构。属于振动、冲击以及冲击防护材料制造的技术领域。

背景技术

周期结构，又称声子晶体，声子晶体的概念由光子晶体衍生而来，在声子晶体中，弹性常数和密度不同的材料周期的进行排列,相互之间连通的材料称为基体,不连通的材料称为散射体。振动通常是以弹性波的形式在周期结构中传播，弹性波带隙又可称为振动带隙。周期结构的弹性波带隙可用于减振，一方面可以为高精度加工系统提供一定频率范围内的无振动加工环境，保证较高的加工精度要求；另一方面可以为特殊精密仪器或设备提供一定频率范围内的无振动工作环境，提高工作精度和可靠性，同时延长其使用寿命。

非线性能量阱(nonlinear energy sink，NES)的概念提出于2000年左右，它是在动力吸振器的基础上发展出来的。线性动力吸振器需要与主结构发生共振以实现减振，这导致其只能应用于振动频率变化较小的设备。弱非线性动力吸振器能够在一定程度上拓宽减振频带，然而它仍然只能从某一特定频带吸收振动能量。半主动式、主动式和混合式吸振器设计，使动力吸振器具有频率跟踪或多频带减振能力，然而这些方案需要额外的能源装置和控制器，因此其应用存在很大局限性。非线性能量阱是一种具有纯非线性刚度的吸振器，由于具有宽频吸振、轻质等优点，吸引了大量研究者的关注。而双稳态NES中特有的稳态跃迁能够提高高效靶能量传输的作用范围。NES结构及其TET机理的研究为设计具有冲击波调控特性的超材料结构奠定了理论基础，有望为舰船、装甲等重要装备的冲击与冲击波防护提供技术支撑。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，通过在基体板上周期性设置双稳态非线性能量阱，从而实现对瞬态冲击能量的抑制和吸收。

技术方案：本发明是一种带有双稳态非线性能量阱的周期结构，该周期结构包括板基体，以及按照周期性或者拟周期性排列在所述板基体上凸起设置的m行n列的双稳态NES；其中双稳态NES由两个弹簧、一个阻尼器和一个小质量块组成；每个弹簧通过刚性固定端与板基体固结在一起；刚性固定端的轴线垂直于板基体的表面，弹簧一端与刚性固定端相连，另一端与小质量块相连；阻尼器一端与小质量块相连，另一端与板基体表面相连。

所述弹簧轴线与水平线之间的角度为θ，当|θ|为某一大于0°的角度时，两弹簧处于自由长度l₀，此时该结构整体处于平衡状态；当θ＝0°时，两弹簧长度为l，l＜l₀，此时两弹簧处于压缩状态，结构整体处于不平衡状态。

所述的双稳态NES和凸起设置的由软材料和硬材料堆叠成的散射体振子在基体板上为单侧或者双侧布置。

所述的双稳态NES的小质量块为圆柱形，长方体形或者球形；刚性固定端的形状为圆柱形或者长方体形。

所述的软材料和硬材料的形状相同或不同，为圆柱形或长方体形。

所述基体板双稳态NES的小质量块以及软材料、硬材料的厚度相同或不同。

所述的m行n列的双稳态NES组成周期结构的最小的重复单元叫做单胞，各单胞之间的排列形状是正方形，正三角形或其他多边形。