非线性耦合共振单元及非线性声学超材料元胞结构制造技术

本发明专利技术涉及一种非线性耦合共振单元及非线性声学超材料元胞结构，所述非线性耦合共振单元包括：振子、弹簧、底座、套筒和支撑杆；所述振子中间设有中心孔，所述支撑杆穿过所述振子的中心孔；所述振子与支撑杆同轴心设置；所述支撑杆以振子为中点，两端对称且均套设在套筒中；所述套筒远离振子的一端设有底座，所述振子两端均通过弹簧与底座固定连接；所述振子的端面与所述套筒的端面之间以及所述振子的中心孔与所述支撑杆之间均设有间隙。该单元具有结构紧凑、可调节等特性；应用该单元，基于典型板壳结构，设计了超非线性材料结构，可产生非线性局域共振带隙和混沌带，使其在小附加质量下产生低频宽带的振动抑制效果。

【技术实现步骤摘要】
非线性耦合共振单元及非线性声学超材料元胞结构
本专利技术涉及一种非线性耦合共振单元、非线性声学超材料元胞及其非线性声学超材料结构，属于航空航天、机械工程、固体力学、振动噪声控制和超材料领域。
技术介绍
结构振动抑制是对设备/装备/产品性能具有重要影响。尤其是在航空航天领域，装备服役环境恶劣且结构轻量化至关重要，飞机/火箭上的板壳结构多，在发动机和气动激励下产生的振动不仅影响飞行器结构的稳定性、安全性和精密仪器的精度等，同时振动辐射噪声，严重影响乘用的舒适性。受工程应用的重量、尺寸、效率、环境适应性等条件约束，在小附加质量下实现板壳类结构的低频、宽带、高效振动抑制一直是困扰航空航天等装备设计的难题，迫切需要研发新的减振降噪技术。声学超材料是指具有弹性波亚波长调控特性的人工超常材料/结构。不同于传统材料，超材料基于人工设计的周期性微结构来调控低频弹性波，其基于现有基础材料或复合材料，按照产品技术要求反向设计微结构，获得具有新特性的新型材料。目前，大量的研究集中在线性声学超材料。然而，线性声学超材料的局域共振带隙带宽较窄，且带宽与局域共振单元的附加质量相关，难以同时实现轻质、低频、宽带的减振性能。此外，有限尺寸的线性超材料频谱通带由密集的共振峰构成，元胞的数量越多，通带内的共振峰数量就越多。即，线性超材料的窄带弹性波禁带能衰减结构振动，但其较宽通带内的响应却被共振放大。非线性声学超材料是指具有显著非线性动力学效应的声学超材料。研究表明，在强非线性条件下，密集的结构共振变成强非线性耦合共振，甚至产生混沌响应。该效应具有低频、宽带、高效振动抑制能力，称为“混沌带”效应。根据非线性局域共振带隙的桥连耦合原理，增加两个非线性局域共振带隙之间的频率距离，可以提高混沌带内的弹性波抑制效能和总的衰减带宽。利用桥连耦合原理，对非线性声学超材料的混沌带进行调控，可突破传统线性超材料振动抑制带宽限制，实现超低频、超带宽、高效的振动抑制。然而，强非线性元胞的设计技术有待创新，轻质、可调节非线性耦合共振单元设计可以推进非线性声学超材料的减振降噪应用。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是强非线性耦合共振单元设计方法，以及工程结构的轻质低频宽带振动抑制问题。为实现上述目的，本专利技术设计的强非线性耦合共振单元由Duffing谐振器、扭转谐振器和振动-冲击谐振器集成，通过分段弹簧和间隙碰撞产生强非线性作用；通过控制线性弹簧的刚度系数、振子与套筒之间的间隙、振子与支撑杆之间的间隙大小控制非线性刚度系数；通过控制共振单元的垂直共振频率和扭转共振频率调节局域共振带隙位置，进而控制混沌带振动抑制带宽。将元胞周期性排列在基体梁板壳结构上构建非线性声学超材料结构，实现低频宽带的振动抑制。一种非线性耦合共振单元，包括：振子、弹簧、底座、套筒和支撑杆；所述振子中间设有中心孔，所述支撑杆穿过所述振子的中心孔；所述振子与支撑杆同轴心设置；所述支撑杆以振子为中点，两端对称且均套设在套筒中；所述套筒远离振子的一端均设有底座，所述振子两端均通过弹簧与底座固定连接；所述振子的端面与所述套筒的端面之间设有第一间隙δ1，所述振子的中心孔与所述支撑杆之间设有第二间隙δ2。进一步的，所述振子包括垂直振动共振频率fA和扭转振动共振频率fB，fA小于fB，所述垂直振动共振频率fA和扭转振动共振频率fB之间的频率距离形成桥连耦合。进一步的，所述底座靠近振子的一端设有凸台，所述弹簧一端与底座上的凸台连接，另一端与所述振子表面通过胶粘连接。进一步的，所述套筒与所述底座之间通过过盈配合或者胶粘方式连接。进一步的，所述支撑杆两端与所述底座通过螺纹连接。进一步的，所述套筒、底座和支撑杆的材质均为复合材料。进一步的，所述套筒与振子表面存在第一间隙δ1通过所述弹簧和所述套筒之间的高度差控制；所述振子与支撑杆之间的第二间隙δ2通过所述振子和所述支撑杆的直径大小控制。进一步的，所述弹簧和所述套筒的刚度不同，在位移小于δ1时，振动刚度为所述弹簧刚度；在位移大于δ1时，振动刚度为所述弹簧和所述套筒刚度的并联值。本专利技术还提供了一种非线性声学超材料元胞，包括：待减振基体结构和至少一个上述的非线性耦合共振单元，所述非线性耦合共振单元中的支撑杆的一端穿过底座与所述待减振基体结构相连。本专利技术还提供了一种非线性声学超材料结构，包括多个周期性排列的上述的非线性声学超材料元胞。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术应用间隙碰撞产生强非线性效应，采用桥连耦合的扭转共振在低频宽带内增强非线性，提出了的强非线性耦合共振单元，具有结构紧凑、可调节等特性；进而，应用该单元，基于典型板壳结构，完成超非线性材料结构设计，可产生非线性局域共振带隙和混沌带，使其在小附加质量下实现低频、宽带、高效的振动抑制效果。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专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术优选实施例中分段非线性与光滑三次非线性位移-力对比曲线。图2是本专利技术优选实施例中非线性耦合共振单元立体示意图。图3是本专利技术优选实施例中非线性耦合共振单元剖面图及局部细节示意图。图4是本专利技术优选实施例中非线性声学超材料加筋板结构示意图。其中，图中(a)为单向加筋板；(b)为双向加筋板。图5是本专利技术优选实施例中非线性耦合共振单元及非线性声学超材料加筋板安装与测试方法。其中，图中(a)非线性超材料加筋板振动特性测试方案；(b)耦合共振单元的固有频率测试方案。图6是本专利技术优选实施例中单向加筋板振动实验结果。其中，图中(a)单个振子模型不同激励幅值下的振动传递率曲线；(b)两个振子模型不同激励幅值下的振动传递率曲线。图7是本专利技术优选实施例中双向加筋板振动实验结果。其中，图中(a)单个振子模型不同激励幅值下的振动传递率曲线；(b)两个振子模型不同激励幅值下的振动传递率曲线。其中，1、振子，2、支撑杆，3、底座，4、套筒，5、弹簧，6、待减振基体结构。具体实施方式以下所述仅是本专利技术的几个实施例，并非对本专利技术做任何形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本专利技术技术方案的范围内，利用上述揭示的
技术实现思路
做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。可以通过以下五个步骤具体实施本专利技术所涉及到的强非线性耦合共振单元与非线性声学超材料。步骤一：确定耦合共振单元真实作用力和等效强非线性刚度系数垂直非线性由分段非线性弹簧实现，在运动过程振子受到的作用力F(x)随位移x的变化规律为分段函数：其中，k1为线性弹簧刚度；P为套筒刚度；套筒刚度比弹簧刚度至少大十倍以上，作用力曲线F(x)为强非线性函数，用光滑的三次本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非线性耦合共振单元，其特征在于，包括：振子、弹簧、底座、套筒和支撑杆；/n所述振子中间设有中心孔，所述支撑杆穿过所述振子的中心孔；所述振子与支撑杆同轴心设置；/n所述支撑杆以振子为中点，两端对称且均套设在套筒中；所述套筒远离振子的一端设有底座，所述振子两端均通过弹簧与底座固定连接；/n所述振子的端面与所述套筒的端面之间设有第一间隙δ

【技术特征摘要】
1.一种非线性耦合共振单元，其特征在于，包括：振子、弹簧、底座、套筒和支撑杆；
所述振子中间设有中心孔，所述支撑杆穿过所述振子的中心孔；所述振子与支撑杆同轴心设置；
所述支撑杆以振子为中点，两端对称且均套设在套筒中；所述套筒远离振子的一端设有底座，所述振子两端均通过弹簧与底座固定连接；
所述振子的端面与所述套筒的端面之间设有第一间隙δ1，所述振子的中心孔与所述支撑杆之间设有第二间隙δ2。


2.根据权利要求1所述的非线性耦合共振单元，其特征在于，所述振子包括垂直振动共振频率fA和扭转振动共振频率fB，fA小于fB，所述垂直振动共振频率fA和扭转振动共振频率fB之间的频率距离形成桥连耦合。


3.根据权利要求1所述的非线性耦合共振单元，其特征在于，所述底座靠近振子的一端设有凸台，所述弹簧一端与底座上的凸台连接，另一端与所述振子表面通过胶粘连接。


4.根据权利要求1所述的非线性耦合共振单元，其特征在于，所述套筒与所述底座之间通过过盈配合或者胶粘方式连接。


5.根据权利要求1所述的非线...

【专利技术属性】
技术研发人员：方鑫，盛鹏，温激鸿，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43