[发明专利]一种双层金字塔型轻质减振超材料点阵结构

说明书

本发明涉及工程结构减振技术领域，具体涉及一种双层金字塔型轻质减振超材料点阵结构，该超材料点阵结构由二维周期排列的单胞组成，所述单胞基于双层金字塔型点阵结构衍生设计，包括上下面板、设置在上下面板之间的8根双层金字塔型夹芯圆杆、以及嵌入在的8根双层金字塔型夹芯圆杆交点的球形共振单元，所述上下面板、双层金字塔型夹芯圆杆、球形共振单元均采用玻璃纤维增强(GFR)尼龙材料。本发明通过在双层金字塔型轻质减振超材料点阵结构中嵌入周期排列的圆形共振单元来产生宽频带隙，从而达到减振的目的，所述结构具有轻质‑减振功能一体化、减振频率范围宽、易于制造、具有良好承载能力、不改变结构外部几何特性等特点。

技术领域

本发明涉及工程结构减振技术领域，具体涉及一种双层金字塔型轻质减振超材料点阵结构。

背景技术

夹芯三明治板主要由上下面板和内部的轻质核组成，具有质量轻、比强度和比刚度高等特性。作为夹芯三明治结构的一种，轻质点阵结构内部大量的互联空间使其具备了易设计性和多功能性等特点，可以在保证承载能力的基础上实现隔热、吸能等功能的融合。目前关于轻质点阵结构的研究主要集中在结构的制备方法和力学特性等方面，相比于单层夹芯点阵结构，多层夹芯点阵结构具备更加优良的承载、抗爆炸和抗冲击性能，但关于其减振特性，特别是低频范围内振动控制的研究却非常匮乏。在工程应用中，剧烈的振动会严重影响结构的稳定性，造成结构的损坏和整体性能的失效。因此，如何利用轻质点阵结构进行承载减振多功能设计，一直是航空航天等科学领域和工程界共同关注的热点课题。

近年来，“超材料”概念的提出与飞速发展为工程中的轻质点阵结构的振动控制提供了全新的思路。超材料是一种特殊的人工合成结构，通过对其关键子结构的微妙设计，使其在动态响应时可获得自然界材料所不具备的、超常规的、全新等效物理性质。作为一类典型的超材料，局域共振超材料凭借局域共振产生的振动带隙，可有效突破低频振动噪声控制中存在的技术瓶颈，实现亚波长尺度下对低频振动的有效抑制。

目前薄板型超材料结构主要是通过添加共振单元来获得弹性波带隙，但具有不同材料的共振单元使轻质点阵结构的制造工艺变得更加复杂，极大的增加了结构的质量，不利于超材料结构在航空等工程领域的应用。如何设计一种制备工艺简单且具有低频宽带减振特性的承载减振功能一体化轻质点阵结构，仍有待进一步研究，实现超材料在航空等工程领域的应用价值也是未来超材料发展的重要方向之一。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明提供了一种双层金字塔型轻质减振超材料点阵结构，通过在结构内部添加使用同种材料的共振单元，使该超材料轻质点阵结构在低频范围内具有良好的宽带减振特性，所述结构可在低频范围内产生两条弹性波带隙，从而达到在低频范围内高效减振的目的，并且所述结构具备轻质点阵结构良好的承载特性和吸能特性，可以在高效减振的基础上，实现多功能一体化的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种双层金字塔型轻质减振超材料点阵结构，由二维周期排列的单胞组成，所述单胞基于双层金字塔型点阵结构衍生设计，包括上下面板、设置在上下面板之间的8根双层金字塔型夹芯圆杆、以及嵌入在的8根双层金字塔型夹芯圆杆交点的球形共振单元。

进一步地，所述上下面板、双层金字塔型夹芯圆杆、球形共振单元均采用玻璃纤维增强(GFR)尼龙材料，可采用3D打印技术制造。

进一步地，所述单胞的边长和厚度均为a＝40mm，上下面板的厚度e＝2.5mm，内部双层金字塔型夹芯圆杆的直径r＝4mm，所述双层金字塔型夹芯圆杆与上下面板夹角均为38度，球形共振单元的直径R＝30mm。

进一步地，所述点阵结构产生的两条弹性波禁带主要与球形共振单元和上下面板的局域共振有关，改变点阵结构的面板厚度e和球形共振单元直径R，可使轻质超材料点阵结构具有不同频率范围的弹性波禁带，在弹性波禁带内，振动的传播被有效抑制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：