一种双层夹芯拓扑超材料板及其应用制造技术

本发明专利技术属于机械拓扑绝缘体技术领域，涉及一种双层夹芯拓扑超材料板及其应用

【技术实现步骤摘要】
一种双层夹芯拓扑超材料板及其应用


[0001]本专利技术属于机械拓扑绝缘体
，具体涉及一种双层夹芯拓扑超材料板及其应用
。

技术介绍

[0002]随着机械工程技术的快速发展，振动问题成为不容忽视且亟需解决的重要问题
。
传统的弹簧阻尼减振技术只能衰减高频振动，难以解决振动危害更强的低频振动问题
。
为了实现低频减振，力学超材料近年来得到了广泛的关注，力学超材料可以凭借带隙机制，抑制带隙频率范围的弹性波在结构中传播，从而实现低频振动衰减，为解决振动控制问题提供了新的思路
。
振动中往往贮存着大量的能量，在已有减振手段下，大量的振动能量被阻尼元件白白的耗散掉
。
实现振动能量的收集利用具有绿色节能的重要现实意义，然而，振动衰减和振动能量收集是截然相反的矛盾体，在减振要求下很难实现有效的振动能量收集
。
[0003]机械拓扑绝缘体不仅具有在带隙内衰减结构内振动传播的能力，还能会在带隙内产生多种维度的拓扑态，能够操纵弹性波能量聚集在结构表面
、
边缘或者角点上
。
拓扑态具有拓扑保护的鲁棒性，不受结构制造与使用过程中缺陷和无序的影响，实现了稳定高效的能量聚集
。
因此，机械拓扑绝缘体为同时实现振动衰减和能量捕获提供了一条可行的途径，并可以缓解振动衰减与振动能量收集之间的矛盾
。
尤其是在列车客室地板及船舶发动机底板等工程结构中存在的振动问题正与机械拓扑绝缘体的特性匹配，应用前景十分可观
。
但目前的机械拓扑超材料板主要是穿孔型或附加局域谐振子的单层板，承载能力和减振效果都比较有限，难以满足工程应用的要求
。
[0004]因此，需要设计一种新的双层夹芯拓扑超材料板
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种双层夹芯拓扑超材料板，以解决
技术介绍
中提出的目前的机械拓扑超材料板主要是穿孔型或附加局域谐振子的单层板，应用场景十分有限的问题
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种双层夹芯拓扑超材料板，包括晶胞单元，所述晶胞单元包括上层薄板
、
下层薄板和压扭耦合谐振器，上层薄板和下层薄板形状相同，压扭耦合谐振器设置在上层薄板和下层薄板之间；所述压扭耦合谐振器包括斜杆和圆柱型质量块，圆柱型质量块的上方和下方各设置有6根半径为
r
的斜杆，斜杆均围绕圆柱型质量块的轴心线呈手性结构排列，将圆柱型质量块与上
、
下薄板固定连接
。
[0007]在一种具体的实施方式中，所述双层夹芯拓扑超材料板为
3D
打印技术一体化打印制造，打印制造双层夹芯拓扑超材料板的材料为
TPU
材料
。
[0008]在一种具体的实施方式中，所述晶胞单元的上层薄板和下层薄板均为菱形薄板；晶胞单元包括两个压扭耦合谐振器，两个压扭耦合谐振器的中心位于菱形薄板的长对角线
上且对称分布，两个压扭耦合谐振器的中心之间的距离为菱形薄板的长对角线长度的
1/3。
[0009]在一种具体的实施方式中，所述菱形薄板中含有
60
°
的角
。
[0010]在一种具体的实施方式中，所述晶胞单元中的两个压扭耦合谐振器的圆柱型质量块的半径相等
。
[0011]在一种具体的实施方式中，所述双层夹芯拓扑超材料板包括拓扑性质不同的两种晶胞单元，两种晶胞单元分别为晶胞单元Ⅰ和晶胞单元Ⅱ，晶胞单元Ⅰ中第一压扭耦合谐振器的圆柱型质量块的半径小于第二压扭耦合谐振器的圆柱型质量块的半径，晶胞单元Ⅱ中第一压扭耦合谐振器的圆柱型质量块的半径大于第二压扭耦合谐振器的圆柱型质量块的半径，两者互为镜像对称的逆结构
。
[0012]在一种具体的实施方式中，所述双层夹芯拓扑超材料板包括由多个两种拓扑不同的晶胞单元Ⅰ和晶胞单元Ⅱ组成的有限单元结构；有限单元结构中包括一个界面，晶胞单元Ⅰ和晶胞单元Ⅱ分别位于界面两侧；有限单元结构中的所有晶胞单元在同一平面内沿直线排列呈平行四边形，相邻的晶胞单元的菱形边紧密相接；由多个拓扑性质不同的晶胞单元Ⅰ和晶胞单元Ⅱ布置在界面两侧组成的有限单元结构，可在带隙内实现拓扑界面态
。
[0013]在一种具体的实施方式中，所述晶胞单元的上层薄板和下层薄板均为正六边形薄板，晶胞单元包括六个均匀分布的压扭耦合谐振器，六个压扭耦合谐振器的中心分别位于正六边形薄板上每条边的中垂线上，且六个压扭耦合谐振器的中心与晶胞单元中心的距离
D
相等
。
[0014]在一种具体的实施方式中，压扭耦合谐振器的中心与晶胞单元中心的距离小于正六边形薄板的边长的三分之一的晶胞单元即为收缩单胞；压扭耦合谐振器的中心与晶胞单元中心的距离大于正六边形薄板的边长的三分之一的晶胞单元即为扩张单胞；收缩单胞与扩张单胞的拓扑性质不同；所述双层夹芯拓扑超材料板至少包括收缩单胞和扩张单胞中的一种
。
由收缩单胞和扩张单胞中的一种构成的有限单元结构，可在带隙内实现边界态和角态
。
[0015]所述双层夹芯拓扑超材料板在振动能量收集或低频减振中的应用
。
[0016]相比于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术设计的双层夹芯拓扑超材料板在受到压缩
/
拉伸时，压扭耦合谐振器能在平动的同时会发生扭转，即压扭耦合效应，有利于打开低频带隙，实现低频减振
。
[0017]本专利技术通过在双层夹芯超材料板的带隙中实现拓扑边缘态和角态，振动能量可以集中在期望的边缘和角点上，方便开展进一步的振动能量收集，而同时振动在结构内部得到了抑制
。
拓扑态具有拓扑保护的鲁棒性，能够免疫结构制造过程中的中等程度缺陷和无序，从而得到性能稳定的拓扑器件
。
本专利技术缓解了振动衰减和振动能量捕获之间的矛盾，同时实现低频振动衰减和振动能量局域化
。
[0018]本专利技术中的晶格系统既支持拓扑锐角角态，也支持拓扑钝角角态，降低了拓扑角态对角度的依赖，拓宽了拓扑超材料板的形状设计方案
。
[0019]本专利技术不需要设计复杂的由两种拓扑性质不同的单胞组成的复合晶格结构，由扩张或收缩单胞组成的单一晶格都可以在拓扑带隙内同时支持一维边缘态和零维角态，使得可以设计不同形状的拓扑结构，并且方便在结构的角
、
边附加合适的能量收集系统收集振动能量
。
[0020]除了上面所描述的目的
、
特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的
、
特征和优点
。
下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明
。
附图说明
[0021]构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种双层夹芯拓扑超材料板，其特征在于，包括晶胞单元，所述晶胞单元包括上层薄板
、
下层薄板和压扭耦合谐振器，上层薄板和下层薄板形状相同，压扭耦合谐振器设置在上层薄板和下层薄板之间；所述压扭耦合谐振器包括斜杆和圆柱型质量块，圆柱型质量块的上方和下方各设置有6根半径为
r
的斜杆；斜杆均围绕圆柱型质量块的轴心线呈手性结构排列，将圆柱型质量块与上
、
下薄板固定连接
。2.
根据权利要求1所述的双层夹芯拓扑超材料板，其特征在于，所述双层夹芯拓扑超材料板为
3D
打印技术一体化打印制造，打印制造双层夹芯拓扑超材料板的材料为
TPU
材料
。3.
根据权利要求1所述的双层夹芯拓扑超材料板，其特征在于，所述晶胞单元的上层薄板和下层薄板均为菱形薄板；晶胞单元包括两个压扭耦合谐振器，两个压扭耦合谐振器的中心位于菱形薄板的长对角线上且对称分布，两个压扭耦合谐振器的中心之间的距离为菱形薄板的长对角线长度的
1/3。4.
根据权利要求3所述的双层夹芯拓扑超材料板，其特征在于，所述菱形薄板中含有
60
°
的角
。5.
根据权利要求3所述的双层夹芯拓扑超材料板，其特征在于，所述晶胞单元中的两个压扭耦合谐振器的圆柱型质量块的半径相等
。6.
根据权利要求3所述的双层夹芯拓扑超材料板，其特征在于，所述双层夹芯拓扑超材料板包括拓扑性质不同的两种晶胞单元，两种晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：李盈利，张汉青，姚松，彭勇，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：