一种五模振动防护复合点阵环状结构及其参数优化方法技术

本发明专利技术属于结构减振降噪技术领域，尤其涉及一种五模振动防护复合点阵环状结构及其参数优化方法。五模振动防护复合点阵环状结构胞元包括六边形骨架、弹性包覆体、加强杆；六边形骨架为六边形镂空结构；六边形镂空结构由两侧的短连接边以及对称设置在短连接边间的四个等长的长连接边构成；弹性包覆体包覆加强杆固定连接于空腔中；加强杆是指被弹性包覆体包覆固定连接于空腔中的杆结构。基于本发明专利技术的五模振动防护复合点阵环状结构形式用于圆柱结构的减振，设置于圆柱结构外侧表面，通过计算胞元等效弹性矩阵和频散曲线，获得胞元等效力学参数和主方向的群速度波速，通过合理排布各向异性，实现对振动波能量的有效调控。实现对振动波能量的有效调控。实现对振动波能量的有效调控。

【技术实现步骤摘要】
一种五模振动防护复合点阵环状结构及其参数优化方法


[0001]本专利技术属于减振降噪
，尤其涉及一种五模振动防护复合点阵环状结构及其参数优化方法。

技术介绍

[0002]振动广泛存在于日常生活和工业生产中，周期性振动产生的应力波经常会对结构产生一定的影响，使结构发生晃动和变形，当振动频率接近结构自振频率时，会使结构产生较大变形，严重时甚至使结构发生局部破坏。目前，调控振动的主要方法有隔离振源、采用阻尼器等方法。五模材料是一种新兴的超材料，具有轻质、调控范围广、尺寸设计性强的特点，通过对五模材料的设计，可以引导应力波的能量沿预定的方向传播，在此背景下针对五模材料的研究逐渐展开。

技术实现思路

[0003]本专利技术创造的目的在于，提供一种可有效减轻一定频率范围内振动波能量向内部传递的五模振动防护复合点阵环状结构，同时提供其参数优化方法。
[0004]本专利技术的五模振动防护复合点阵环状结构及其参数优化方法，主要通过获取胞元等效力学参数和频散特性，确定振动波在结构中的能量传播方向，从而对振动波的能量传播进行调控。
[0005]为实现前述目的，本专利技术创造采用如下技术方案。
[0006]一种五模振动防护复合点阵环状结构，用于圆柱结构的振动防护，设置于圆柱结构外侧表面，复合点阵环状结构由多层环结构组合形成，每层环结构包括多个环形阵列排布的五模振动防护胞元；五模振动防护胞元包括六边形骨架1、弹性包覆体2、加强杆3；
[0007]所述六边形骨架1是指：六边形镂空结构；所述六边形镂空结构由两侧的短连接边1a 以及对称设置在短连接边1a间的四个等长的长连接边1b构成；所述六边形镂空结构相邻长连接边1b间夹角范围为120
°‑
180
°
，短连接边1a同长连接边1b间的夹角范围为 90
°‑
120
°
；所述六边形镂空结构长连接边1b和短连接边1a的长宽比均不大于0.4。
[0008]所述六边形骨架1的空腔10内固定连接加强杆3和弹性包覆体2；
[0009]所述弹性包覆体2包覆加强杆3固定连接于空腔10中，用于提高加强杆3的稳定性；
[0010]所述弹性包覆体2包括：上包覆体21、下包覆体22；所述上包覆体21、下包覆体22 均同时与短连接边1a、长连接边1b连接；
[0011]所述加强杆3是指被弹性包覆体2包覆固定连接于空腔10中的杆结构。
[0012]所述弹性包覆体2端面为六边形结构，且其中五边与加强杆3、短连接边1a、长连接边1b连接，剩余朝向两个长连接边1b夹角一侧的边为凹型边缘，其对应的曲线函数为： x2+y2＝a2；
[0013]其中a＝0.5a
y
‑
nt0，a
y
是胞元y方向长度，t0为加强杆厚度，n≥1，曲线中心位于长连接边1b外侧交点处；所述胞元为空间结构一致的组成点阵结构的最小单元。
[0014]对前述五模振动防护复合点阵环状结构的进一步改进或优选实施方案，所述六边形骨架1的短连接边1a宽度为长连接边1b截面宽度的m≥2，该设置可有效降低向圆环内部传递振动波能量。
[0015]对前述五模振动防护复合点阵环状结构的进一步改进或优选实施方案，所述六边形骨架1由钢材料制成，该材料具有较高的刚度的同时，还有很强的韧性，可有效提升本专利技术的承载能力和弹性变形能力；所述弹性包覆体2由硅橡胶材料制成，该材料具有良好的弹性，可强化加强杆3同六边形骨架1连接的稳定性，同时可以降低加强杆由于自振产生的变形；所述加强杆3由氧化铝陶瓷材料制成，该材料具有极高的刚度，可有效增强环状结构切向刚度的同时使环状结构径向刚度几乎不变，从而快速改变振动波能量传播方向。
[0016]本专利技术还提供一种五模振动防护复合点阵环状结构的参数优化方法，包括如下步骤：
[0017]步骤1.获取振动波信号参数，包括：
[0018]采集振动波信号，获得需要进行调控的振动波的频率范围，并计算出振动波在六边形骨架1材料中的最小波长；
[0019]步骤2.确定胞元尺寸，包括：
[0020]每层环结构包含的胞元数量相等且不少于40个，每层胞元的y方向长度均小于x方向长度，最外层胞元x方向长度小于振动波最小波长，以此确定胞元尺寸；
[0021]步骤3.建立五模振动防护复合点阵环状结构胞元的物理模型，包括：
[0022]在有限元仿真分析软件中建立二维胞元模型，设定物理场初始参数和胞元初始材料，设定周期性条件；
[0023]步骤4.仿真计算胞元等效力学参数，包括：
[0024]将步骤3中所建立的胞元模型进行二维周期性复制平移，使胞元对边相连接，建立由该胞元周期性排布组成的方形结构模型；
[0025]在方形结构侧边添加力或者固定约束，获得对应的应变数值，计算出胞元等效弹性矩阵C,其中K
x
为x方向等效弹性模量，K
y
为y方向等效弹性模量，K
xy
为两个主方向耦合弹性模量，G为剪切模量；
[0026]步骤5.计算五模振动防护复合点阵环状结构胞元的频散曲线；包括：
[0027]利用覆盖不可约布里渊区的波矢对周期性胞元进行扫频，获取不同波矢扫频下的胞元本征频率；
[0028]设置波矢k在不可约布里渊区的分段函数，所述波矢k用于对不可约布里渊区进行扫略以获取所有波的信息，其中波矢k是在扫掠不可约布里渊区边界时以s为自变量的分段函数；
[0029]基于前述步骤3获得的模型进行有限元网格划分，对自变量s进行参数化扫描以实现对胞元的第一不可约布里渊区边界的波矢扫描，获得胞元本征频率，并以s为自变量，本征频率为因变量绘制胞元频散曲线；
[0030]步骤6.分析频散曲线的纵波曲线和横波曲线，确定各层胞元在圆环切向和径向的
横波群速度(C
sq
、C
sj
)和纵波群速度(C
pq
、C
pj
)，以及临界频率f，即纵波曲线上切线斜率发生明显变化的点所对应的频率；
[0031]步骤7.根据步骤2的预设参数确定胞元是否满足以下条件：
[0032]1.
[0033]2.
[0034]3.
[0035]4.临界频率f大于需要进行调控的振动应力波的频率
[0036]5.C
pq
＞3C
pj
[0037]6.由外层向内层逐渐增大
[0038]若不是，则回到步骤2，重新设定初始参数和材料；
[0039]步骤8.将所设计的各层胞元周期性布置于圆柱结构上，对应力波的传播进行调控。
[0040]对前述五模振动防护复合点阵环状结构的参数优化方法进一步改进或具体实施方案，所述步骤3中，模型维度设置为二维，物理场设置为固体力学物理场，研究模块设置为特征频率。
[0041]对前述五模振动防护复合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种五模振动防护复合点阵环状结构，用于圆柱结构的振动防护，设置于圆柱结构外侧表面，其特征在于：复合点阵环状结构由多层环结构组合形成，每层环结构包括多个环形阵列排布的五模振动防护胞元；五模振动防护胞元包括六边形骨架(1)、弹性包覆体(2)、加强杆(3)；所述六边形骨架(1)为六边形镂空结构；所述六边形镂空结构由两侧的短连接边(1a)以及对称设置在短连接边(1a)间的四个等长的长连接边(1b)构成；所述六边形镂空结构相邻长连接边(1b)间夹角范围为120
°‑
180
°
，短连接边(1a)同长连接边(1b)间的夹角范围为90
°‑
120
°
；所述六边形镂空结构长连接边(1b)和短连接边(1a)的长宽比均不大于0.4；所述六边形骨架(1)的空腔(10)内固定连接加强杆(3)和弹性包覆体(2)；所述弹性包覆体(2)包覆加强杆(3)固定连接于空腔(10)中，用于提高加强杆(3)的稳定性；所述弹性包覆体(2)包括：上包覆体(21)、下包覆体(22)；所述上包覆体(21)、下包覆体(22)均同时与短连接边(1a)、长连接边(1b)连接；所述加强杆(3)是指被弹性包覆体(2)包覆固定连接于空腔(10)中的杆结构；所述弹性包覆体(2)端面为六边形结构，且其中五边与加强杆(3)、短连接边(1a)、长连接边(1b)连接，剩余朝向两个长连接边(1b)夹角一侧的边为凹型边缘，其对应的曲线函数为：x2+y2＝a2；其中a＝0.5a
y
‑
nt0，a
y
是胞元y方向长度，t0为加强杆厚度，n≥1，曲线中心位于长连接边(1b)外侧交点处；所述胞元为空间结构一致的组成点阵结构的最小单元。2.根据权利要求1所述的一种五模振动防护复合点阵环状结构，其特征在于，所述六边形骨架(1)的短连接边(1a)同长连接边(1b)截面宽度相等。3.根据权利要求1所述的一种五模振动防护复合点阵环状结构，其特征在于，所述六边形骨架(1)的短连接边(1a)宽度为长连接边(1b)截面宽度的4.一种五模振动防护复合点阵环状结构的参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.获取振动波信号参数，包括：采集振动波信号，获得需要进行调控的振动波的频率范围，并计算出振动波在六边形骨架1材料中的最小波长；步骤2.确定胞元尺寸，包括：每层环结构包含的胞元数量相等且不少于40个，每层胞元的y方向长度均小于x方向长度，最外层胞元x方向长度小于振动波最小波长，以此确定胞元尺寸；步骤3.建立五模振动防护复合点阵环状结构胞元的物理模型，包括：在有限元仿真分析软件中建立二维胞元模型，设定物理场初始参数和胞元初始材料，设定周期性条件；步骤4.仿真计算胞元等效力学参数，包括：将步骤3中所建立的胞元模型进行二维周期性复制平移，使胞元对边相连接，建立由该胞元周期性排布组成的方形结构模型；在方形结构侧边添加力或者固定约束，获得对应的应变数值，计算出胞元等效弹性矩
阵C,其中K
x
为x方向等效弹性模量，K
y
为y方向等效弹性模量，K
xy
为两个主方向耦合弹性模量，G为剪切模量；步骤5.计算五模振动防护复合点阵环状结构胞元的频散曲线；包括：利用覆盖不可约布里渊区的波矢对周期性胞元进行扫频，获取不同波矢扫频下的胞元本征频率；设置波矢k在不可约布里渊区的分段函数，所述波矢k用于对不可约布里渊区进行扫略以获取所有波的信息，其中波矢k是在扫掠不可约布里渊区边界时以s为自变量的分段函数；基于前述步骤3获得的模型进行有限元网格划分，对自变量s进行参数化扫描以实现对胞元的第一不可约布里渊区边界的波矢扫描，获得胞元本征频率，并以s为自变量，本征频率为因变量绘制胞...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振华，韩邦熠，张展，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：