[发明专利]一种低频减振轻质超材料点阵结构及其制作方法

说明书

本发明涉及工程结构减振技术领域，具体涉及一种低频减振轻质超材料点阵结构及其制作方法，该超材料点阵结构由二维周期排列的单胞组成，所述单胞包括基体结构和嵌入基体结构内的长方体形共振单元，所述基体结构包括上下面板和内部金字塔型夹芯结构；所述长方体形共振单元位于内部金字塔型夹芯结构内部，每个单元由上下两部分构成，上部采用硬质金属材料，下部采用玻璃纤维增强(GFR)尼龙材料。本发明通过设计周期排列的共振单元结构来产生低频范围内的宽频带隙，从而达到高效减振的目的。其具有承载‑减振功能一体化、减振频率范围宽、不改变结构外部几何特性、可在低频范围内有效抑制结构振动等特点。

技术领域

本发明涉及工程结构减振技术领域，具体涉及一种低频减振轻质超材料点阵结构及其制作方法。

背景技术

作为一种新型夹芯三明治板状结构，轻质点阵结构由上下面板和内部轻质桁架核组成。与传统的蜂窝三明治结构和泡沫三明治结构不同，轻质点阵结构的内部核由周期排列的桁架单胞组成，典型的点阵桁架单胞有金字塔型(Pyramidal)、四面体型(Tetrahedral)、3-D Kagome型等。轻质点阵结构独特的开孔桁架构型使其除了具有传统三明治结构轻质、高强、抗冲击、吸能以及高效散热等性能外，还能产生更大的互联空间。因此，与传统的三明治结构相比，轻质点阵结构更适合进行多功能设计，已在承载功能一体化应用方面展现出巨大的发展潜力。

然而，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上，关于其减振特性的研究却非常匮乏。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，如何设计新型结构，在满足轻质承载的同时可以实现减振降噪等功能化设计，一直是航空航天、力学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。超材料虽以材料命名，但实是一种特殊的人工合成结构，通过对构成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。

目前关于薄板型超材料结构的技术研究还主要集中在均质板上，薄膜或薄板型超材料结构虽有望达到良好的减振效果，但其承载能力往往较差。相比之下，轻质点阵结构具有良好的承载能力，而且内部空间有利于进行结构设计。如何在保持轻质点阵结构良好承载能力的基础上实现其在低频宽带内的减振效果，并尽可能拓宽低频带隙带宽，仍有待进一步研究和完善。如何设计承载-减振一体化超材料结构，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，本发明提供了一种新型的基于弹性超材料理论的承载-减振一体化轻质点阵结构，通过在结构内部添加自行设计的共振单元，使该周期性轻质点阵结构在低频范围内具有良好的宽带减振特性。所述结构可以产生低频宽带带隙，从而达到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，可以在高效减振的基础上，实现轻质承载功能一体化的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种低频减振轻质超材料点阵结构，由二维周期排列的单胞构成，所述单胞包括基体结构和嵌入基体结构内的长方体形共振单元，所述基体结构包括上下面板和内部金字塔型夹芯结构；所述长方体形共振单元位于内部金字塔型夹芯结构内部，每个单元由上下两部分构成，上部采用硬质金属材料，下部采用玻璃纤维增强(GFR)尼龙材料。

进一步地，所述基体结构采用玻璃纤维增强(GFR)尼龙材料。

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＝2.3mm，内部金字塔型夹芯的圆杆的直径r＝4mm，所述圆杆与下面板夹角为60度，长方体形共振单元的边长d＝13mm，高度为16mm。