一种力学超材料弯曲波测试实验装置

摘要

本发明公开一种力学超材料弯曲波测试实验装置，包括力学超材料试件，还包括支撑装置、悬吊装置、夹紧装置和振源臂装置；支撑装置均通过高强度材料加工而成，包括固定肋板、竖直支撑柱、水平支撑柱、加固肋板；竖直支撑柱的底部通过固定肋板固定安装在实验环境中；竖直支撑柱的顶部安装有加固肋板，竖直支撑柱设有两个，水平支撑柱的两端通过加固肋板固定在两个竖直支撑柱的顶端；水平支撑柱最大长度方向上的一侧面上设置有“T”形凹槽，悬吊装置活动连接于“T”形凹槽，用以悬吊安置力学超材料试件；夹紧装置安装在力学超材料试件的一侧，振源臂装置的一端与夹紧装置连接，另一端与实验振源连接，夹紧装置和振源臂装置共同作为振源的转换和传递媒介。

说明书

技术领域

本发明涉及人工弹性波超构材料技术领域，尤其涉及性能优良的、可以针对力学超材料弯曲波进行测试的实验装置。

背景技术

早在弹性力学理论用于结构和机械构件应力分析之前，弹性波传播理论便已经被建立起来了。而近年来，力学超材料具有非凡的波操控能力，让人们发现了许多新的和有研究价值的力学现象，这引起了广泛的关注。力学超材料所具有的弹性波和振动的传播或禁带特性等特点，使其在机械、土木和航天等学科或工程领域具有较高的应用价值和研究前景。

实验是检验力学超材料弯曲波理论和探究新现象的必不可缺少的重要环节，近年来较少出现关于力学超材料弯曲波测试实验装置的报道，现有的各系列实验台多集中于满足转子设备振动测量和点状振源影响的波动实验，力学超材料在线状振源的平面弯曲波情形下进行测试实验所需要的灵活、专用和高效率的性能不易满足。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于力学超材料弯曲波测试的实验装置，该装置结构简单，使用方便，实现了对不同尺寸和形状的力学超材料试件进行弯曲波测试实验的功能，能够实现较高的实验精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种力学超材料弯曲波测试实验装置，包括力学超材料试件，还包括支撑装置、悬吊装置、夹紧装置和振源臂装置；所述支撑装置均通过高强度材料加工而成，包括固定肋板、竖直支撑柱、水平支撑柱、加固肋板；所述竖直支撑柱的底部通过所述固定肋板固定安装在实验环境中的水平面上；竖直支撑柱的顶部安装有所述加固肋板，所述竖直支撑柱设有两个，所述水平支撑柱的两端通过所述加固肋板固定在两个竖直支撑柱的顶端；所述水平支撑柱最大长度方向上的一侧面上设置有“T”形凹槽，所述悬吊装置活动连接于所述“T”形凹槽，用以悬吊安置力学超材料试件；所述夹紧装置安装在力学超材料试件的一侧，所述振源臂装置的一端与所述夹紧装置连接，另一端与实验振源连接，夹紧装置和振源臂装置共同作为振源的转换和传递媒介。

进一步的，所述悬吊装置包括滚动轮、锁止螺栓和细绳，所述滚动轮的数量为2个，均被活动安装在所述“T”形凹槽中，在所述滚动轮的中心轴和滚动轮边缘之间开有螺纹孔；所述锁止螺栓安装在所述螺纹孔中，所述锁止螺栓用于对所述滚动轮进行锁止和放松；所述滚动轮的中心轴凸出于所述水平支撑柱的侧表面，滚动轮的中心轴上设有用于安装所述细绳的凹槽，用于悬吊力学超材料试件并避免力学超材料试件与支撑装置产生接触。

进一步的，所述细绳由尼龙制成，能够承受0.04t以上的拉力。

进一步的，当所述锁止螺栓未被拧紧时，能够对所述滚动轮位置进行调整，根据不同力学超材料实验的需要调整滚动轮的位置。

进一步的，所述夹紧装置包括主卡爪、副卡爪和保护垫；所述保护垫由橡胶制成，厚度为1.5mm，所述保护垫设置有两个，分别安装在主卡爪和副卡爪的夹持端，力学超材料试件放入所述主卡爪和副卡爪的保护垫之间，通过紧固件夹紧力学超材料试件，所述保护垫用于防止力学超材料试件表面被损伤；

进一步的，所述保护垫与力学超材料试件接触的一面均印有防滑花纹；所述副卡爪和主卡爪上相对应的均设有一列连接孔，用于通过安装紧固件夹紧力学超材料试件；所述主卡爪上还设有一列用于与振源臂装置相连的振源孔。

进一步的，所述副卡爪和主卡爪上的连接孔均等间距的设有三个；所述振源孔设有九个。

进一步的，所述振源臂装置包括卡爪侧部分和振源侧部分；所述卡爪侧部分与所述夹紧装置相紧固连接，振源侧部分的一端与所述卡爪侧部分紧固连接，另一端与实验振源连接；所述卡爪侧部分包括3组杆件，每组杆件包括1根A杆和两根B杆；振源侧部分包括2根C杆和1根A杆；所述A杆、B杆和C杆的长度关系为：C杆长于B杆、B杆长于A杆。

进一步的，卡爪侧部分的每组杆件中的A杆在长度方向上呈水平布置，同时每组杆件中的A杆与每组中的两根B杆之间的夹角为30°；振源侧部分中的A杆在长度方向上呈水平布置，同时振源侧部分中的A杆与2根C杆之间的夹角均为60°。

进一步的，所述A杆长度为138.56mm，B杆长度为160mm，C杆长度为277.13mm。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本装置解决了力学超材料弯曲波测试实验不便于在传统实验平台上开展的问题；装置所采用的零件易于加工，装置成本低且可以重复使用，能节省大量的实验费用。

2.本发明的装置采用了滚动轮、锁止螺栓和高强度细绳相配合的力学超材料试件安置方式，可以通过调节两个滚动轮之间的距离和选择是否锁止的方式，而不用分解装置或更换零件，灵活适用于不同尺寸的力学超材料试件和不同的实验场景；同时高强度细绳悬吊力学超材料试件的方式，使得弯曲波能量传输受外界因素衰减较小，能够使得特定频率变更实验更容易实现。

3.本发明的装置采用了呈树枝状分布的振源传递杆件组合，通过不同长度杆件的数量和排布方式的特定组合最终在力学超材料试件上产生平面弯曲波，这个过程实现了由点状振源到相应线状振源的转变，以及振源传递的高效率特性。

4.本发明的装置在实验振源传递过程中经过的夹紧装置和振源臂装置，内部组件之间均采用的是刚性连接，实现了装置稳固、能量损耗小和对实验结果干扰小的目标。

附图说明

图1为本发明实施例提供的力学超材料弯曲波测试实验装置的三维立体结构示意图。

图2为本发明实施例中弯曲波测试实验装置实际构型的爆炸结构示意图。

图3为本发明实施例中悬吊装置的爆炸结构示意图。

图4为本发明实施例中水平支撑柱的细节示意图。

图5为本发明实施例中水平支撑柱的截面细节示意图。

图6为本发明实施例中夹紧装置的爆炸结构示意图。

图7为本发明实施例中振源臂装置中的振源部分的爆炸结构示意图。

附图标记：1-固定肋板，2-竖直支撑柱，3-加固肋板，4-水平支撑柱，5-滚动轮，6-细绳，7-锁止螺栓，8-力学超材料试件，9-保护垫，10-副卡爪，11-主卡爪，12-拧紧螺栓，13-拧紧螺母，14-C杆，15-A杆，16-B长杆

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明实施例的一种力学超材料弯曲波测试实验装置所采用的方案是：进行力学超材料弹性波实验时，本发明实施例中的振源臂装置和夹紧装置配合将振源电机发出的弦波等形式的点状振源，转化为线状振源，并通过本发明实施例中的夹紧装置传递给悬吊安置在本发明实施例中的高强度细绳中的力学超材料试件，实验中由本发明实施例中的支撑装置提供架构支撑；本发明实施例中悬吊装置的锁止螺栓经过加工被用于和滚动轮配合实现位置锁止，除此以外本装置中的其他位置虽含有螺栓，但仅作为保持相应刚性部件紧密连接的装置材料，不作为力学超材料实验所需要的振源传播方式和实验装置架构主体。

本发明实施例提供的一种力学超材料弯曲波测试实验装置的结构如图1和图2所示，包括支撑装置、悬吊装置、夹紧装置和振源臂装置：支撑装置包括固定肋板1、竖直支撑柱2、加固肋板3、水平支撑柱4，各个部件均通过高强度材料加工而成；竖直支撑柱2与固定肋板1螺栓连接，竖直支撑柱2的下表面和固定肋板1的下表面在一个平面上，通过将固定肋板1安装在水平面上，从而实现将竖直固定在实验环境中；水平支撑柱4的两端通过加固肋板3被固定在竖直支撑柱1上，水平支撑柱4在长度方向上加工出截面为“T”形的凹槽，“T”形凹槽结构如图4和图5所示；悬吊装置与水平支撑柱4的“T”形凹槽相连，用以悬吊安置力学超材料试件8；夹紧装置安装在力学超材料试件8一端；振源臂装置安装在夹紧装置上，共同作为振源转换和传递媒介。

悬吊装置如图3所示，包含滚动轮5，细绳6，锁止螺栓7；滚动轮5的数量为2个，均被安装在水平支撑柱4的“T”形凹槽中，在中心轴和轮边缘之间开有螺纹孔；锁止螺栓7被安装在滚动轮5的螺纹孔中，可以在拧紧时利用与水平支撑柱4之间的摩擦力对滚动轮5的位置进行锁止；细绳6由尼龙等材质制作而成，被安装在滚动轮5的中心轴开设的凹槽中，可以将力学超材料试件8悬吊起来避免与竖直支撑柱2或水平支撑柱4产生接触；当锁止螺栓7被拧紧时，可以实现滚动轮5位置的锁止；当锁止螺栓7未被拧紧时，滚动轮5的位置可以进行调整；滚动轮5的位置锁止与否，可根据不同力学超材料实验需要进行调整。

夹紧装置如图6所示，包括保护垫9、副卡爪10、主卡爪11。保护垫9由橡胶制成，厚度为1.5mm，同时在与力学超材料试件8接触的一侧印有防滑花纹，并分别安装在副卡爪10和主卡爪11上；副卡爪10在最大长度方向上开有一列共3个通孔；在主卡爪11的最大长度方向上开有两列通孔，分别为一列开有3个通孔用以与副卡爪10配对，另一列开有9个通孔用以与振源臂装置相连；力学超材料试件8放入副卡爪10和主卡爪11之间时，拧紧副卡爪10和主卡爪11的通孔内的配对的拧紧螺栓12和拧紧螺母13以夹紧力学超材料试件8，保护垫9应防止力学超材料试件8表面被夹伤。

振源臂装置如图7所示，包括卡爪侧和振源侧两个部分；卡爪侧部分包括三组共计9个杆件，每组3个杆件；每一组均包含1根138.56mm长的A杆15和2根160mm长的B杆16；

振源侧部分包含2根277.13mm长的C杆14和1根138.56mm长的A杆15；卡爪侧部分与主卡爪11通过螺栓紧固连接，每一组中A杆15在长度方向上呈水平，同时与2根B杆16均形成30°夹角；振源侧部分一端与卡爪侧部分通过螺栓紧固连接，另一端与实验振源连接；振源侧部分中，A杆15在长度方向上呈水平，同时与2根C杆14均形成60°夹角。

本实施例通过上述138.56mm长的A杆15、160mm长的B杆16和277.13mm长的C杆14三种不同长度杆件在数量和排布方式上的特定组合，和所述夹紧装置配合以实现将振源电机发出的点状振源转化为线状振源并最终传递到力学超材料试件，从而产生平面弯曲波。

以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。