一种夹芯型局域共振结构及其局域共振带隙调控方法

本发明属于低频振动控制，尤其涉及一种夹芯型局域共振结构及其局域共振带隙调控方法。

背景技术：

1、声子晶体和弹性超材料由于具有带隙特性，能够在特定频率范围内抑制弹性波或结构振动的传播，因此在船舶工程、海洋工程、航空航天、车辆工程和精密装备减振降噪领域具有广泛应用前景。

2、传统声子晶体的带隙通常来源于布拉格散射机制，其带隙频率与晶格常数密切相关，若要实现低频带隙，往往需要较大的结构尺寸，而较大结构尺寸的声子晶体不利于轻量化工程结构中的实际应用。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的第一目的是提供一种轻量化、承载性能好且能够实现低频减振的夹芯型局域共振结构。

2、本发明的第二目的是提供一种夹芯型局域共振结构的局域共振带隙调控方法。

3、技术方案：本发明公开的一种夹芯型局域共振结构，包括至少一个超材料单胞，所述超材料单胞包括上下间隔设置的上面板和下面板，支撑连接在上面板和下面板之间的支撑柱，以及安装在支撑柱上、位于上面板和下面板之间且用于形成局域共振带隙的局域共振单元；所述局域共振单元包括由功能梯度材料制成且一端与支撑柱连接的连接梁，与连接梁远离支撑柱的一端固定连接的质量块。

4、进一步的，所述连接梁由钨和铜制成，连接梁两端分别为钨富集端和铜富集端，且钨富集端钨的含量比铜高，铜富集端铜的含量比钨高，钨富集端和铜富集端之间的钨和铜沿连接梁的长度方向连续变化。

5、进一步的，所述连接梁的弹性模量或密度或泊松比沿着连接梁的长度方向按照幂律函数变化。

6、进一步的，所述连接梁的梯度方向包括正向梯度和反向梯度，正向梯度指铜富集端与支撑柱连接、钨富集端与质量块连接，且连接梁由铜富集端向钨富集端过渡；反向梯度指钨富集端与支撑柱连接、铜富集端与质量块连接，且连接梁由钨富集端向铜富集端过渡。

7、进一步的，所述局域共振单元共设置有多组，且多组局域共振单元环状阵列分布在上面板和下面板之间形成多方向局域共振。

8、进一步的，所述上面板和下面板均设置为方形板状结构，连接梁共设置有四个，且任一连接梁两端之间连线的投影与上面板的边之间的夹角为45°。

9、进一步的，多个超材料单胞按照二维周期方式拼接排列，形成有限周期阵列结构。

10、进一步的，所述质量块由高密度材料制成。

11、基于同样的发明构思，本发明还公开一种夹芯型局域共振结构的局域共振带隙调控方法，将局域共振带隙向低频率方向移动的方式为：当连接梁的梯度反向为正向梯度时，增大连接梁的幂律函数的幂指数，使得局域共振带隙的起始频率和终止频率降低；当连接梁的梯度方向为反向梯度时，减小连接梁的幂律函数的幂指数，使得局域共振带隙的起始频率和终止频率降低。

12、进一步的，将局域共振带隙向高频率方向移动的方式为：当连接梁的梯度反向为正向梯度时，减小连接梁的幂律函数的幂指数，使得局域共振带隙的起始频率和终止频率增大；当连接梁的梯度方向为反向梯度时，增大连接梁的幂律函数的幂指数，使得局域共振带隙的起始频率和终止频率增大。

13、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明的上面板、下面板和支撑柱构成夹心型承载框架，夹心型承载框架在兼顾高承载性能的同时保持轻量化；在夹心型承载框架中引入质量块-连接梁这一柔性连接结构，能够在低频率范围内形成局域共振带隙，从而有效抑制夹芯板结构中的振动传播，因此本发明在保持轻量化、高承载能力的同时实现低频减振。本发明在超材料单胞中设置由功能梯度制成的连接梁，在不改变超材料单胞整体拓扑结构和几何结构参数的情况下，通过调节连接梁的幂指数k和梯度方向，使局域共振带隙向低频或高频方向移动，以提高超材料单胞对不同目标振动频率的适应能力。

1.一种夹芯型局域共振结构，其特征在于：包括至少一个超材料单胞（8），所述超材料单胞（8）包括上下间隔设置的上面板（1）和下面板（2），支撑连接在上面板（1）和下面板（2）之间的支撑柱（3），以及安装在支撑柱（3）上、位于上面板（1）和下面板（2）之间且用于形成局域共振带隙的局域共振单元（7）；所述局域共振单元（7）包括由功能梯度材料制成且一端与支撑柱（3）连接的连接梁（5），与连接梁（5）远离支撑柱（3）的一端固定连接的质量块（4）。

2.根据权利要求1所述的夹芯型局域共振结构，其特征在于：所述连接梁（5）由钨和铜制成，连接梁（5）两端分别为钨富集端和铜富集端，且钨富集端钨的含量比铜高，铜富集端铜的含量比钨高，钨富集端和铜富集端之间的钨和铜沿连接梁（5）的长度方向连续变化。

3.根据权利要求2所述的夹芯型局域共振结构，其特征在于：所述连接梁（5）的弹性模量或密度或泊松比沿着连接梁（5）的长度方向按照幂律函数变化。

4.根据权利要求3所述的夹芯型局域共振结构，其特征在于：所述连接梁（5）的梯度方向包括正向梯度和反向梯度，正向梯度指铜富集端与支撑柱（3）连接、钨富集端与质量块（4）连接，且连接梁（5）由铜富集端向钨富集端过渡；反向梯度指钨富集端与支撑柱（3）连接、铜富集端与质量块（4）连接，且连接梁（5）由钨富集端向铜富集端过渡。

5.根据权利要求1所述的夹芯型局域共振结构，其特征在于：所述局域共振单元（7）共设置有多组，且多组局域共振单元（7）环状阵列分布在上面板（1）和下面板（2）之间形成多方向局域共振。

6.根据权利要求1所述的夹芯型局域共振结构，其特征在于：所述上面板（1）和下面板（2）均设置为方形板状结构，连接梁（5）共设置有四个，且任一连接梁（5）两端之间连线的投影与上面板（1）的边之间的夹角为45°。

7.根据权利要求1所述的夹芯型局域共振结构，其特征在于：多个超材料单胞（8）按照二维周期方式拼接排列，形成有限周期阵列结构。

8.根据权利要求1所述的夹芯型局域共振结构，其特征在于：所述质量块（4）由高密度材料制成。

9.一种夹芯型局域共振结构的局域共振带隙调控方法，其特征在于：将局域共振带隙向低频率方向移动的方式为：当连接梁（5）的梯度反向为正向梯度时，增大连接梁（5）的幂律函数的幂指数，使得局域共振带隙的起始频率和终止频率降低；当连接梁（5）的梯度方向为反向梯度时，减小连接梁（5）的幂律函数的幂指数，使得局域共振带隙的起始频率和终止频率降低。

10.根据权利要求9所述的夹芯型局域共振结构的局域共振带隙调控方法，其特征在于：将局域共振带隙向高频率方向移动的方式为：当连接梁（5）的梯度反向为正向梯度时，减小连接梁（5）的幂律函数的幂指数，使得局域共振带隙的起始频率和终止频率增大；当连接梁（5）的梯度方向为反向梯度时，增大连接梁（5）的幂律函数的幂指数，使得局域共振带隙的起始频率和终止频率增大。