[发明专利]幂指数棱台构件双振子式声子晶体及应用和参数优化方法

权利要求书

1.一种幂指数棱台构件双振子式声子晶体，其特征在于，包括幂指数棱台构件(1)、局域共振单元(2)；

幂指数棱台构件(1)包括幂指数棱台(11)、连接件(12)和散射体(13)；

幂指数棱台(11)包括底部的基台(110)以及位于基台(110)顶部的棱台结构(111)，基台(110)为横断面为正方形的柱体，棱台结构(111)横断面为直径逐渐缩小的幂指数椎体；棱台结构(111)的大端部边长与基台(110)边长一致；棱台结构(111)顶部中间设置有圆柱形的安装孔(11a)；

连接件(12)为双层圆环体结构，散射体(13)为圆柱结构；双层圆环体结构的内径与散射体(13)的外径匹配，连接件(12)的下层环体的外径与安装孔(11a)直径匹配；连接件(12)的上层环体下端面抵住幂指数棱台(11)顶部；

局域共振单元(2)包括圆柱形的质量块(21)以及位于质量块(21)底部的圆柱形的橡胶体(22)；

其中，棱台结构(111)的棱边对应的幂指数曲线为：

式中，幂指数曲线函数坐标以棱台结构底部角点为原点，以底部过角点的边长为x轴；H_B指棱台结构(111)的总高度，h_A是基台(110)的高度，rA为凹陷宽度，p为大于2的幂函数幂次指数。

2.根据权利要求1所述的幂指数棱台构件双振子式声子晶体，其特征在于，所述质量块(21)的直径不小于橡胶体(22)的直径。

3.根据权利要求1所述的幂指数棱台构件双振子式声子晶体，其特征在于，连接件(12)的上层环体、质量块(21)以及橡胶体(22)的高度之和不超过安装孔(11a)的深度。

4.基于权利要求1所述的幂指数棱台构件双振子式声子晶体的隔振结构，其特征在于，包括若干呈矩形阵列固定在待隔振设备表面的幂指数棱台构件双振子式声子晶体，相邻幂指数棱台构件双振子声子晶体的底部各边保持共线或者相互垂直。

5.用于权利要求1所述幂指数棱台构件双振子声子晶体的参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.获取隔振目标参数，包括：

测量或指定待隔振钢板的材料参数、几何参数、作用于钢板的载荷频率；

步骤2.根据平板结构的尺寸确定幂指数棱台构件双振子式声子晶体的周期数，并用平板结构尺寸除以周期数确定幂指数棱台构件双振子式声子晶体的几何尺寸，初步选定材料参数，并绘制几何模型；

步骤3.计算幂指数棱台构件双振子式声子晶体的频散曲线；包括：

利用覆盖不可约布里渊区的波矢对周期性晶胞进行单独分析；设置波矢k在不可约布里渊区的分段函数，根据不可约布里渊区的范围设置波矢k在扫掠不可约布里渊区边界时需要用到的以q为自变量的分段函数；将声子晶体的边长l设置为晶格常数，为使波矢沿不可约布里渊区M→Γ→X→M取值，波矢坐标为(π/l,π/l)→(0,0)→(π/l,0)→(π/l,0),设置分段函数

其中k_x为波矢k在x方向的分量，k_y为波矢在y方向的分量；

选定需要的材料参数，设定周期性条件；进行有限元网格划分，对自变量q进行从0到3进行参数化扫描以实现对幂指数棱台构件双振子式声子晶体的第一不可约布里渊区边界的波矢扫描，获得幂指数棱台构件双振子式声子晶体的频散曲线；

步骤4.分析频散曲线的带隙频段，确定载荷频率是否在带隙频段内；

步骤5.若载荷频率在带隙频率内，直接进行步骤6；若载荷频率不在带隙频段内，则返回步骤2，对幂指数棱台构件双振子式声子晶体的材料与几何尺寸进行调整；

步骤6.将所设计的幂指数棱台构件双振子式声子晶体按照步骤2确定的周期数布置于平板结构上，实现对目标载荷频率的振动的阻挡。

6.根据权利要求5所述的用于权利要求1所述幂指数棱台构件双振子声子晶体的参数优化方法，其特征在于，所述步骤2中，在选定的几何尺寸和材料力学参数的基础上，在三维多物理场建模环境下建立几何模型；具体实施时，在几何中绘制幂指数棱台构件双振子式声子晶体单胞的图形，在材料中新建空材料，输入对应的材料参数，并将设置的材料参数赋予到相应的几何结构上。

7.根据权利要求5所述的用于权利要求1所述幂指数棱台构件双振子式声子晶体的参数优化方法，其特征在于，所述步骤3还包括，在固体力学模块中选择周期性条件，将其设置为Floquet周期，并在x与y方向输入之前在定义中设置好的kx、ky分段函数并在研究中添加参数化扫描，扫描参数为q，扫描范围为0到3；网格划分时首先将悬臂梁与质量块划分成结构化正六面体网格，然后将棱台划分成自由四面体网格，最后将连接平板划分成三棱柱网格；划分网格时要确保弹性波一个波长至少包含有5到6个单元。