[发明专利]用于低频域宽带隔振的主动编码可调超材料系统

说明书

一种用于低频域宽带隔振的主动编码可调超材料系统，包括至少两个编码可调的超材料超胞模块，超材料超胞模块之间垂直连接，每个超材料超胞模块由多个周期有序排布的超材料单胞构成平面结构；每个超材料单胞具有可调的局域共振频率，包括基体以及设置于基体内部的弹性元件和与弹性元件相连的质量块，多个单胞整体构成可调的“质量‑刚度‑阻尼‑基体”系统。本发明采用等效刚度和等效质量联合编码可调的技术手段，将3D打印技术和主动控制策略相结合，所提出的主动编码可调超材料系统具有结构模块化、体积小、成本低、工作频带宽、调控灵活等优点。

技术领域

本发明涉及的是一种低频隔振材料领域的技术，具体是一种用于低频域宽带隔振的主动编码可调超材料系统。

背景技术

低频隔振在精密机械工程、在轨航天工程和土木防护工程等领域具有广泛的应用。在很多复杂情况下，实现宽频带范围内主动可调的低频隔振是一项技术挑战。目前，超材料由于具有亚波长尺度的隔振带隙特性被发展应用于低频隔振，来实现体积小和质量轻的低频隔振结构设计。在针对主动可调隔振的方法中，传统的可调超材料技术主要是对结构的等效动力学参数进行调控，即单一性地通过改变结构的等效刚度或者等效质量来调节振动传输带隙，这些方法不能同时调节刚度和质量两个动力学参数，因此在120Hz以内的低频范围无法实现100Hz超带宽的隔振效果。在针对宽频带隔振的方法中，传统的超材料隔振策略包括局域共振布拉格带隙混合、多带隙耦合和拓扑优化技术等，在这些传统的结构设计中，超材料结构无法实现动态的主动可调，这极大地限制了其在工程中的应用。因此，一种在宽频带范围内实现主动灵活可调的低频隔振技术是实际工程应用中的迫切需求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于低频域宽带隔振的主动编码可调超材料系统，采用等效刚度和等效质量联合编码可调的技术手段，将3D打印技术和主动控制策略相结合，所提出的主动编码可调超材料系统具有结构模块化、体积小、成本低、工作频带宽、调控灵活等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于低频域宽带隔振的主动编码可调超材料系统，包括至少两个编码可调的超材料超胞模块，超材料超胞模块之间垂直连接，每个超材料超胞模块由多个周期有序排布的超材料单胞构成平面结构。

所述的超材料单胞包括：每个超材料单胞具有可调的局域共振频率，包括基体以及设置于基体内部的弹性元件和与弹性元件相连的质量块，多个单胞整体构成可调的“质量-刚度-阻尼-基体”系统。

所述的弹性元件采用但不限于弹性梁、橡胶和弹簧实现。

所述的超材料系统通过以下方式实现局域共振频率的主动可调：该超材料系统的振动输出位置设有用于振动信号反馈测量的传感器，该传感器将采集到的反馈信号输入控制器，通过控制器内置的PID算法进行主动决策，通过编码调控超材料单胞的有效刚度和有效质量动力学参数的方式来调节超材料单胞的局域共振频率，进而调控整个超材料系统的动力学特性实现主动式的低频隔振。

所述的编码可调是指：各个超材料单胞的动力学参数按照编码0或者编码1的调控方式被编码可调，其中：超材料单胞编码0为不改变超材料单胞的动力学有效参数，超材料单胞编码1为改变超材料单胞的有效刚度和有效质量。

所述的周期是指：各个超材料单胞在超材料超胞中以层排和列排的方式周期排布，不限制超材料单胞的周期排布个数。

所述的有序是指：在周期排布的基础上，超胞中每个位置处的超材料单胞按照编码0或者编码1的方式在超胞中有序分布。

所述的动力学有效参数是指：超材料单胞的有效刚度和有效质量。

所述的有效刚度，通过改变超材料单胞所处的磁场环境进行调节。

所述的有效质量，通过改变超材料单胞的质量块进行调节。