用于低频宽带减隔振的仿生超材料结构及超构装置

摘要

本实用新型公开了一种用于低频宽带减隔振的仿生超材料结构及超构装置，该仿生超材料结构包括支撑模块与振动调制模块；支撑模块包括中心支撑部和多个径向支撑部，各径向支撑部的内侧端与中心支撑部相连，并绕中心支撑部的中心呈轴对称周期性排布，且相邻的两径向支撑部之间围成扇形区域；振动调制模块设在扇形区域内；振动调制模块包括至少一个曲折条状基元，曲折条状基元的两端分别与相邻的两径向支撑部相连，且每个连接点位于径向支撑部内侧端与外侧端之间。本实用新型涉及智能仿生材料与减振降噪领域，不仅可在高承载/小尺寸下实现低频宽带减隔振效果，而且便于加工，可根据实际控制需求改变快速进行二次调整改进。

说明书

技术领域

本实用新型涉及智能仿生材料与减振降噪技术领域，具体是一种用于低频宽带减隔振的仿生超材料结构及超构装置。

背景技术

人类的生产和生活中广泛存在着振动问题，而以飞机、高铁、船舶、精密机床等为代表的现代高端装备，所存在的振动问题更为突出，振动问题已经严重影响到现代高端装备的乘坐舒适性、制造精度等关键核心性能指标。

减隔振技术是控制装备振动问题的重要手段，在工程实践中，传统的减隔振技术主要包括阻尼减振技术(如约束阻尼材料)、吸振技术(如主动吸振器)、隔振技术(如浮筏隔振系统)。这些传统的减隔振技术有不少优点，但也存在许多不足和限制；例如，传统的阻尼减振技术在中高频能取得较好的减隔振效果，但其低频性能差；传统的吸振技术的作用频率可以很低，但其作用频带很窄；传统的隔振技术，可以单独做到高承载能力、或优低频性能、或小尺寸，但其无法兼顾高承载/小尺寸在的低频性能。因此传统减隔振技术已经无法满足装备日益多元化的减隔振需求，如何在高承载/小尺寸下实现装备的低频宽带减隔振控制，是振动与噪声控制领域亟需解决的工程与科学研究问题。

近年来，力学/声学超材料技术迅猛发展，声学超材料是由人工特殊设计的微结构单元构成的新型复合材料/结构，具有低频弹性波带隙、负密度、负模量、负折射等一系列超常弹性波调控特性。现有声学超材料技术的研究表明，利用超材料结构的超常弹性波调控能力，可实现“小尺寸控制低频大波长”，为小尺寸下解决低频减隔振难题提供了新思路。

实用新型内容

为解决现有技术中关于如何在高承载/小尺寸下实现装备的低频宽带减隔振控制的问题，本实用新型借鉴声学超材料思想，提出一种用于低频宽带减隔振的仿生超材料结构及超构装置，可在高承载/小尺寸下实现低频宽带减隔振效果。

为实现上述目的，本实用新型提供一种用于低频宽带减隔振的仿生超材料结构，包括支撑模块与振动调制模块；

所述支撑模块包括中心支撑部和多个径向支撑部，各所述径向支撑部的内侧端与所述中心支撑部相连，并绕所述中心支撑部的中心呈轴对称周期性排布，且相邻的两所述径向支撑部之间围成扇形区域；

所述振动调制模块的数量为多个且与所述扇形区域一一对应，所述振动调制模块设在对应所述扇形区域内；

所述振动调制模块包括至少一个曲折条状基元，所述曲折条状基元的两端分别与相邻的两所述径向支撑部相连，且每个连接点位于所述径向支撑部内侧端与外侧端之间；

所述曲折条状基元为弯折梁结构、曲梁结构、直梁结构，或所述曲折条状基元为直梁、弯折梁、曲梁中至少两种梁的组合梁结构。

在其中一个实施例，仿生超材料结构还包括支角装置，所述支角装置的数量为多个且与所述径向支撑部一一对应；

所述支角装置固定连接在对应所述径向支撑部外侧端的下方。

在其中一个实施例，各所述曲折条状基元的中性轴位于同一平面或近似位于同一平面。

在其中一个实施例，所述中心支撑部为实心柱体、梁组合体、杆组合体或板组合体，或所述中心支撑部为梁、杆、板相互间的组合体；

所述径向支撑部为杆类结构，或所述径向支撑部为局部有加强筋和/或局部穿孔的梁类结构，或所述径向支撑部为复合结构。

在其中一个实施例，所述中心支撑部、所述径向支撑部的外表面均敷贴有粘弹性阻尼层；

所述径向支撑部的内部填充有保温、吸声材料。

在其中一个实施例，各所述扇形区域内的所述振动调制模块为单层排布、双层排布或者多层排布；

若所述振动调制模块采用双层排布或多层排布时，相邻层所述振动调制模块之间采用空间交叉、频带交错、尺度耦合多重协同布设。

在其中一个实施例，在同一所述扇形区域内，第n个所述曲折条状基元的弯折次数为p

在其中一个实施例，在同一所述扇形区域内，第n个所述曲折条状基元的第p次弯折角度为k

为实现上述目的，本实用新型还提供一种用于低频宽带隔振的超构装置，包括m个上述的仿生超材料结构；

由下往上，m个所述仿生超材料结构依次串联连接，其中，m为奇数，且m≥3；

由下往上，第w个所述仿生超材料结构的中心支撑部与其上方相邻的所述仿生超材料结构的中心支撑部通过中心连接部相连，其中，w为正整数，且1≤w≤m-1；

由下往上，第y个所述仿生超材料结构的径向支撑部的外围部分与其上方相邻的所述仿生超材料结构的径向支撑部的外围部分通过外围连接部相连，其中，y为正整数，且2≤y≤m-1。

为实现上述目的，本实用新型还提供一种用于低频宽带减振的超构装置，包括t个上述的仿生超材料结构；

由下往上，t个所述仿生超材料结构依次串联连接，其中，t为偶数，且t≥2；

由下往上，第s个所述仿生超材料结构的中心支撑部与其上方相邻的所述仿生超材料结构的中心支撑部通过中心连接部相连，其中，s为奇数，且1≤s≤t-1；

由下往上，第h个所述仿生超材料结构的径向支撑部的外围部分与其上方相邻的所述仿生超材料结构的径向支撑部的外围部分通过外围连接部相连，其中，h为偶数，且h

与现有技术相比，本实用新型的具有如下有益技术效果：

本实用新型提供的一种用于低频宽带减隔振的仿生超材料结构及超构装置，在应用过程中可设置在现代高端装备精密仪器的下方，进而有效降低现代高端装备运作时引起的整体振动，降低其故障发生率和受损率，大幅度提其稳定性、精准性和可靠性。同时，本实用新型实现了低频超宽带的减隔振性能，兼顾了高刚度、高强度等高承载功能，平台厚度尺寸小、结构紧凑，具有宽广自由灵活的设计空间，可模块化定制。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1中仿生超材料结构的示意图；

图2为本实用新型实施例1中支撑模块的第一种实施方式示意图；

图3为本实用新型实施例1中支撑模块的第二种实施方式示意图；

图4为本实用新型实施例1中弧形区域与振动调制模块的连接结构示意图；

图5为本实用新型实施例1中曲折条状基元的第一种实施方式示意图；

图6为本实用新型实施例1中曲折条状基元的第二种实施方式示意图；

图7为本实用新型实施例1中曲折条状基元的第三种实施方式示意图；

图8为本实用新型实施例1中曲折条状基元的第四种实施方式示意图；

图9为本实用新型实施例1中曲折条状基元的第五种实施方式示意图；

图10为本实用新型实施例1中中心支撑部的第一种实施方式示意图；

图11为本实用新型实施例1中中心支撑部的第二种实施方式示意图；

图12为本实用新型实施例1中中心支撑部的第三种实施方式示意图；

图13为本实用新型实施例1中中心支撑部的第四种实施方式示意图；

图14为本实用新型实施例1中中心支撑部的第五种实施方式示意图；

图15为本实用新型实施例1中径向支撑部上敷贴粘弹性阻尼层与保温吸声材料的结构示意图；

图16为本实用新型实施例1中中心支撑部内填充保温吸声材料的结构示意图

图17为本实用新型实施例1中仿生超材料结构的另一种实施方式示意图；

图18为本实用新型实施例2中低频宽带减振超构装置的实施例示意图；

图19为本实用新型实施例3中低频宽带减振超构装置的实施例示意图；

图20为本实用新型中仿生超材料结构的动传递率曲线图。

附图标号：1-支撑模块，2-振动调制模块，3-中心支撑部，4-径向支撑部，5-扇形区域，6-曲折条状基元，7-支角装置，8-外围连接部，9-仿生超材料结构，10-中心连接部，11-粘弹性阻尼层，12-保温吸声材料。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

实施例1

如图1所示本实施例公开的一种用于低频宽带减隔振的仿生超材料结构，其主要包括支撑模块1与与多个振动调制模块2。

参考图2-3，支撑模块1包括中心支撑部3和多个径向支撑部4，各径向支撑部4的内侧端与中心支撑部3相连，并绕中心支撑部3的中心呈轴对称周期性排布，且相邻的两径向支撑部4之间围成扇形区域5。在具体应用过程中，径向支撑部4的数量可根据实际需求选定，例如可将径向支撑部4的数量为三个，即图2所示；或者将径向支撑部4的数量为六个，即图3所示。

参考图1与图4，每个弧形区域内均具有一振动调制模块2。振动调制模块2包括至少一个曲折条状基元6，曲折条状基元6的两端分别与相邻的两径向支撑部4相连，且每个连接点位于径向支撑部4内侧端与外侧端之间。

本实施例中，曲折条状基元6为弯折梁结构、曲梁结构或直梁结构，或曲折条状基元6为直梁、弯折梁、曲梁中至少两种梁的组合梁结构。在具体应用过程中，曲折条状基元6具有多种实施方式，如图5-9所示：

参考图5为曲折条状基元6的第一种实施方式：在该实施方式下，曲折条状基元6由中部的弯折梁与两端的直梁组成；

参考图6为曲折条状基元6的第二种实施方式：在该实施方式下，曲折条状基元6由若干曲梁与直梁组成，直梁与曲梁依次间错连接，且各曲梁的弯曲方向相同，曲折条状基元6的两端均为直梁；

参考图7为曲折条状基元6的第三种实施方式：在该实施方式下，曲折条状基元6由若干曲梁与直梁组成，直梁与曲梁依次间错连接，且各曲梁的弯曲方向不尽相同，曲折条状基元6的两端均为直梁；

参考图8为曲折条状基元6的第四种实施方式：在该实施方式下，曲折条状基元6由若干曲梁、直梁与弯折梁组成，直梁、曲梁与弯折梁相互交错分布，且各曲梁的弯曲方向以及弯折梁的弯折方向相同，曲折条状基元6的两端均为直梁；

参考图9为曲折条状基元6的第五种实施方式：在该实施方式下，曲折条状基元6由若干曲梁、直梁与弯折梁组成，直梁、曲梁与弯折梁相互交错分布，且各曲梁的弯曲方向以及弯折梁的弯折方向不尽相同，曲折条状基元6的两端均为直梁；

需要注意的是，在具体实施过程中曲折条状基元6的实施方式并不局限于图5-9中的结构形式，也可以是其它组合梁结构。

在具体实施过程中，仿生超材料结构还包括支角装置7，支角装置7的数量为多个且与径向支撑部4一一对应，支角装置7固定连接在对应径向支撑部4外侧端的下方，用于支撑整体结构，并和外部提供连接接口。

在具体实施过程中，各曲折条状基元6的中性轴位于同一平面或近似位于同一平面。其中，各曲折条状基元6的中性轴近似位于同一平面指的是各中性轴所处的平面之间的间距小于曲折条状基元6高度的30％。

在具体实施过程中，中心支撑部3为实心柱体、梁组合体、杆组合体或板组合体，或中心支撑部3为梁、杆、板相互间的组合体，即图10-14所示。其中，图10即为圆台结构的中心支撑部3，图11即为圆环结构的中心支撑部3，图12即为梁组合体结构的中心支撑部3，图13即为板组合体结构的中心支撑部3，图14即为具有内部空腔的块结构的中心支撑部3。

在具体实施过程中，径向支撑部4为杆类结构，如矩形梁、工字梁、T形梁、Z形梁、圆管、方管、矩形管。也可为局部有加强筋的梁、局部穿孔的梁，还可为复合结构，如多层复合管、点阵夹心梁。

作为优选地实施方式，径向支撑部4的外表面均敷贴有粘弹性阻尼层11与保温吸声材料12，即图15所示。中心支撑部3的内部填充有保温吸声材料12，即图16所示，进而可以提升仿生超材料结构的保温和吸声性能，辅助提升其减振能力。

在具体实施过程中，各扇形区域5内的振动调制模块2为单层排布、双层排布或者多层排布。若振动调制模块2采用双层排布或多层排布时，相邻层振动调制模块2之间采用空间交叉、频带交错、尺度耦合多重协同布设。

在具体实施过程中，在同一扇形区域5内，第n个曲折条状基元6整体的弯折次数为p

在具体应用过程中，可基于应用场景和目标的变化，协同设计包括曲折条状基元6的尺寸、弯折次数、弯折角度、弯折弧向、弯折段弧度参数，将各曲折条状基元6在相应扇形区域5内梯度变化，使各曲折条状基元6的共振频率分布式拓宽、承载能力耦合增强。

值得注意的是，本实施例中的仿生超材料并不局限于图1的结构形式，也可设置为图17所示，即将曲折条状基元6设置为弧形结构，各曲折条状基元6沿中心支撑部3呈网圈式排布。

实施例2

如图18所示本实施例还公开了一种用于低频宽带减隔振的超构装置，其包括m个上述实施例1的仿生超材料结构9其中，m≥2。由下往上，相邻的两个仿生超材料结构9的中心支撑部3通过中心连接部10相连。

需要注意的是，本实施例中的仿生超材料结构9以及超构装置中各个部件之间的连接均可通过焊接、一体成型、螺栓固定、销轴固定等方式实现。

实施例3

如图19所示本实施例还公开了一种用于低频宽带减隔振的超构装置，其包括若干个上述实施例1的仿生超材料结构9。

当超构装置包括m(m为奇数，且m≥3)个述实施例1的仿生超材料结构9时：

由下往上，m个仿生超材料结构9依次串联连接；

由下往上，第w个仿生超材料结构9的中心支撑部3与其上方相邻的仿生超材料结构9的中心支撑部3通过中心连接部10相连，其中，w为正整数，且1≤w≤m-1；

由下往上，第y个仿生超材料结构9的径向支撑部4的外围部分与其上方相邻的仿生超材料结构9的径向支撑部4的外围部分(对应支角装置7的位置)通过外围连接部8相连，其中，y为正整数，且2≤y≤m-1。

当超构装置包括t(t为偶数，且t≥2个述实施例1的仿生超材料结构9时：

由下往上，t个仿生超材料结构9依次串联连接；

由下往上，第s个仿生超材料结构9的中心支撑部3与其上方相邻的仿生超材料结构9的中心支撑部3通过中心连接部10相连，其中，s为奇数，且1≤s≤t-1；

由下往上，第h个仿生超材料结构9的径向支撑部4的外围部分与其上方相邻的仿生超材料结构9的径向支撑部4的外围部分(对应支角装置7的位置)通过外围连接部8相连，其中，h为偶数，且h

需要注意的是，本实施例中的仿生超材料结构9以及超构装置中各个部件之间的连接均可通过焊接、一体成型、螺栓固定、销轴固定等方式实现。

以下结合具体的示例，对本实用新型提供的用于低频宽带减隔振的仿生超材料结构及进行详细说明。

在该示例中，仿生超材料结构以中心支撑部3为中心，向外辐射出八根对称的仿蜘蛛网的径向支撑部4，每两根相邻的径向支撑部4围成扇形区域5，各扇形区域5内有一组振动调制模块2，振动调制模块2由12根由短到长的曲折条状基元6连接，各曲折条状基元6均为曲梁结构，径向支撑部4设计为工字梁型，所有结构均选用PLA(聚乳酸，polylacticacid)材料。计算了该结构的振动传递特性，其振动传递率曲线如图20所示；从图20可知，该结构在1465Hz-8000Hz频段范围内，振动抑制效果明显，平均振动传递衰减超过38.7dB。

本实用新型中仿生超材料结构以及超构装置的原理以及效果在于：

1、高承载、小尺寸：

一方面，基于蜘蛛网构型设计，可利用其独特的几何外形来平衡整个装置的压力与张力，即当受外部载荷作用时，所受的作用力会沿蜘蛛网状构型轮廓分散到整个装置表面，可有效平衡装置中的压力与张力，防止装置因局部过载而损坏，提高承载效能。另一方面，中心支撑部3作为用于搭载载荷的支撑部，通过径向支撑部4、中心支撑部3的刚度局域加强及连接界面协同增强，可有效扩展中心支撑部3的承载范围，进一步提升平台的承载效能。再者，微结构单元仿蜘蛛网腿构型，弧形、弯折等设计可压缩空间，有助于减少结构尺寸，提升空间利用率。

2、低频、宽带：

一方面，每两个相邻的梁杆类径向支撑部4与中心支撑部3连接围成扇形区域5，微结构单元为仿蜘蛛丝的杆丝结构(即曲折条状基元6)，每个微结构单元在扇形区域5内分别与两个相邻的梁杆类径向支撑部4连接，通过调节杆丝直径、长度、弧角及其方向或改变杆丝的弯折次数和角度，可将微结构单元的共振频率设计到目标低频，当受到外部载荷激励时，相应目标频率的振动信号会激发出微结构单元的共振模式，导致杆丝剧烈振动并以热能的形式将振动能量消耗掉，从而抑制振动能量向中心支撑部3传播，起到低频减隔振的目的；另一方面，通过将扇形区域5内杆丝长度渐变设计、并协同调整杆丝直径、弯折角度等参数，可将微结构单元的共振频率实现分布式展宽设计，大幅拓宽平台系统的减隔振频带。

3、便于加工、可调节：

所设计的仿蜘蛛网的超材料结构高性能减隔振超构装置，整体结构简单，易于加工，便于工程化应用；同时，该装置可调节参数多，可根据实际控制需求改变快速进行二次调整改进；并且还可和人工智能技术结合，实现智能化设计与控制。

在具体应用个从总，基于不同的应用场景，在初微结构单元的基础上，还可以演化出多种构建方案，包括：外突弧形微结构单元，内凹弧形微结构单元，单次弯折型微结构单元，多重曲折型微结构单元等多种减隔振平台方案。

本实用新型设置在现代高端装备精密仪器的下方，可以有效降低现代高端装备运作时引起的整体振动，降低其故障发生率和受损率，大幅度提其稳定性、精准性和可靠性。本实用新型实现了低频超宽带的减隔振性能，兼顾了高刚度、高强度等高承载功能，平台厚度尺寸小、结构紧凑，具有宽广自由灵活的设计空间，可模块化定制。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。