【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及板殼結(jié)構(gòu)中彈性波吸收，具體涉及一種全角度彈性波高效吸收超表面及其設(shè)計方法。
技術(shù)介紹
1、板殼結(jié)構(gòu)作為傳遞振動的主要載體，廣泛應用于構(gòu)建航天航空、土木工程、車輛、船舶等領(lǐng)域的主體結(jié)構(gòu)以及零部件。而振動水平是衡量結(jié)構(gòu)和設(shè)備安全工作的一項重要指標。目前對板殼的減隔振方法主要分為被動式和主動式。被動式減隔振技術(shù)，具有不需要外界能量輸入、裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。然而傳統(tǒng)的被動式減隔振系統(tǒng)包含大量附加阻尼，不能滿足輕量化設(shè)計要求來實現(xiàn)低頻隔振。主動式減隔振系統(tǒng)具有能夠靈活調(diào)控減隔振頻率的優(yōu)勢，但系統(tǒng)設(shè)計復雜，受環(huán)境影響較大，成本高等缺點限制了其工程應用。因此，采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)板殼的高效吸能減振仍是一個亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
2、彈性超表面的提出為解決板殼結(jié)構(gòu)減隔振問題提供了新的方式。彈性超表面是由亞波長尺度的單胞周期性排布構(gòu)成的人工復合材料，對彈性波具有優(yōu)異的調(diào)控功能。通過單胞結(jié)構(gòu)設(shè)計以及少量的阻尼即可有效吸收板殼中的彈性波能量。特別對于板殼邊緣的反射波，彈性超表面可以完全吸收入射波從而實現(xiàn)無反射。然而，針對板殼中任意位置的彈性波吸收是較為困難的。針對透射波的吸收，傳統(tǒng)彈性超表面對能量的吸收上限僅為0.5。如何利用彈性超表面實現(xiàn)板殼結(jié)構(gòu)中透射彈性波的高效吸收仍是一個重要問題。
3、現(xiàn)有的彈性超表面可利用不對稱共振單胞實現(xiàn)透射彈性波的高效吸收。如文獻xiaopeng?li,ziqi?yu,hideo?lizuka,taehwalee.experimentaldemonstration?ofext
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本專利技術(shù)提出一種全角度彈性波高效吸收超表面及其設(shè)計方法，基于此設(shè)計方法既能夠?qū)崿F(xiàn)單向非對稱彈性波高效吸收，也可以實現(xiàn)雙向?qū)ΨQ彈性波高效吸收。
2、為了實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案是：
3、一種全角度彈性波高效吸收超表面，包括板殼結(jié)構(gòu)1，通過切割部分板殼結(jié)構(gòu)1構(gòu)建多處超胞結(jié)構(gòu)層2，多處超胞結(jié)構(gòu)層2將切割后的板殼結(jié)構(gòu)1連接；
4、在所述板殼結(jié)構(gòu)1上，各處所述超胞結(jié)構(gòu)層2呈周期性排布，超胞結(jié)構(gòu)層2的上下表面貼附阻尼層3。
5、板殼結(jié)構(gòu)1為經(jīng)典薄板，滿足kirchholf假定，板殼結(jié)構(gòu)密度，楊氏模量和泊松比由材料決定，長度l1，寬度w1，厚度h由工況決定。
6、所述超胞結(jié)構(gòu)層2的寬度與排列周期p一致，長度l取1/5至1倍波長，超胞結(jié)構(gòu)層2的厚度與板殼結(jié)構(gòu)1的厚度均為h，超胞結(jié)構(gòu)層2和阻尼層3具有相同的長度l和寬度p，阻尼層3厚度hl取1至2mm。
7、所述超胞結(jié)構(gòu)層2的入射波和反射波關(guān)系可表示為：sinθin+nλ/p＝sinθr；
8、式中θin和θr分別為入射角和反射角，n為衍射波階數(shù)，λ為波長，p為超胞排列周期，由工作頻率確定波長；
9、當波長確定時，通過調(diào)整p和n，使得反射角滿足-1<sinθr<1時，則存在對應階數(shù)的反射波；當p<λ/2時，僅n＝0滿足反射波存在條件，此時，僅存在0階衍射，為實現(xiàn)全角度高效吸波，超胞結(jié)構(gòu)層2的寬度(即排列周期)p小于1/2波長。
10、所述超胞結(jié)構(gòu)層2至少包括兩個單胞結(jié)構(gòu)，一個連接型單胞b和一個懸臂型單胞a，超胞結(jié)構(gòu)層2的長度l與連接型單胞b長度一致，l在1/5至1倍波長范圍內(nèi)；
11、所述超胞結(jié)構(gòu)層2分為非對稱超胞和對稱超胞。
12、非對稱超胞由兩個單胞構(gòu)成，懸臂型單胞a和連接型單胞b，懸臂型單胞a一端與板殼結(jié)構(gòu)1需要吸收入射波的一側(cè)連接，另一端自由，懸臂型單胞a連接端長寬為c；連接型單胞b連通板殼結(jié)構(gòu)1，用于降低透射率，使得大部分入射波被反射，反射波被懸臂型單胞a吸收，從而超胞實現(xiàn)入射波完全吸收。因此當波從懸臂型單胞a與板殼結(jié)構(gòu)1連接一側(cè)入射時，實現(xiàn)入射波的高效吸收；當波從另一側(cè)入射時，實現(xiàn)入射波全反射；
13、對稱超胞由懸臂型單胞a，懸臂型單胞a’和連接型單胞b三個單胞構(gòu)成，懸臂型單胞a和懸臂型單胞a’連接端分別與板殼結(jié)構(gòu)1的兩側(cè)連接，另一端自由，連接型單胞連通板殼結(jié)構(gòu)1，連接型單胞b降低透射率將入射波反射，懸臂型單胞a連接端的反射波被懸臂型單胞a吸收，懸臂型單胞a’連接端的反射波被懸臂型單胞a’吸收，實現(xiàn)對稱的入射波高效吸收。
14、所述懸臂型單胞a為彎折形梁，連接型單胞b為直梁，懸臂型單胞a彎折的空隙和厚度均為c且總體長度小于l，調(diào)整懸臂型單胞高度d1，使反射率在工作頻率處為0；調(diào)整連接型單胞b的高度d2使透射率在工作頻率處小于0.3。
15、根據(jù)入射波頻率確定波長λ，通過調(diào)節(jié)超胞排列周期p，滿足p<λ/2，抑制高階衍射，從而實現(xiàn)全角度高效彈性波吸收；設(shè)計超胞的幾何參數(shù)，根據(jù)入射波波長確定超胞長度l，l在1/5至1倍波長范圍內(nèi)即可；確定懸臂型單胞彎折的空隙和厚度c，懸臂型單胞彎折后總長度小于l即可；設(shè)計具有阻尼層3的懸臂型單胞的高度d1，實現(xiàn)反射波完全吸收，并調(diào)整連接型單胞的高度d2，降低透射率；單胞間隙小于或等于p/2，同時單胞間隙與所有單胞高度的總和小于超胞結(jié)構(gòu)層2的排列周期p，根據(jù)實際需求，布置懸臂型單胞與板殼1的連接側(cè)，實現(xiàn)單側(cè)非對稱或者雙側(cè)對稱的彈性波高效吸收。
16、將連接型單胞b和懸臂型單胞a組合獲得超胞，單胞間隔小于或等于p/2即可，單胞間隔與所有單胞高度的總和小于p即可。
17、所述超胞結(jié)構(gòu)層2呈直線排布或沿圓環(huán)周向陣列排布。
18、所述超胞結(jié)構(gòu)層2按照周期p沿直線排布得到超表面，超表面長度與板殼結(jié)構(gòu)1的寬度w1相同，超表面將板殼結(jié)構(gòu)1分為兩個區(qū)域，彈性波從彎折型單胞與板連接側(cè)入射時被吸收；圓環(huán)陣列的超胞結(jié)構(gòu)層2角度θ滿足(din+dout)sinθ＝2p，其中din和dout分別為內(nèi)徑和外徑，內(nèi)徑din根據(jù)實際工況確定，彎折型單胞與內(nèi)圓連接，實現(xiàn)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)彈性波吸收。
19、一種全角度彈性波高效吸收超表面的設(shè)計方法，具體步驟如下：
20、步驟1：建立板殼結(jié)構(gòu)1和超胞結(jié)構(gòu)層2的有限元模型；
21、步驟2：根據(jù)工況確定板殼結(jié)構(gòu)1的材料和尺寸，確定彈性波在板殼結(jié)構(gòu)1中的波長λ；
22、步驟3：根據(jù)入射波波長設(shè)計超胞結(jié)構(gòu)中的連接型單胞長度l，l在1/5至1倍波長范圍內(nèi)即可，調(diào)整整連接型單胞-2的高度d2，使透射率小于0.3；
23、步驟4本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，包括板殼結(jié)構(gòu)(1)，通過切割部分板殼結(jié)構(gòu)(1)構(gòu)建超胞結(jié)構(gòu)層(2)，多處超胞結(jié)構(gòu)層(2)將切割后的板殼結(jié)構(gòu)(1)連接；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，所述超胞結(jié)構(gòu)層(2)的寬度與排列周期P一致，長度l取1/5至1倍波長，超胞結(jié)構(gòu)層(2)的厚度與板殼結(jié)構(gòu)1的厚度均為h，超胞結(jié)構(gòu)層(2)和阻尼層(3)具有相同的長度l和寬度P，阻尼層(3)厚度hl取1至2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，所述超胞結(jié)構(gòu)層(2)的入射波和反射波關(guān)系可表示為：sinθin+nλ/P＝sinθr；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，所述超胞結(jié)構(gòu)層(2)至少包括兩個單胞結(jié)構(gòu)，一個連接型單胞b和一個懸臂型單胞a，超胞結(jié)構(gòu)層(2)的長度l與連接型單胞b長度一致，l在1/5至1倍波長范圍內(nèi)；
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，非對稱超胞由兩個單胞構(gòu)成，懸臂型單胞a和連接型單胞b
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，所述懸臂型單胞a為彎折形梁，連接型單胞b為直梁，懸臂型單胞a彎折的空隙和厚度均為c且總體長度小于l，調(diào)整懸臂型單胞高度d1，使反射率在工作頻率處為0；調(diào)整連接型單胞b的高度d2使透射率在工作頻率處小于0.3。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，將連接型單胞b和懸臂型單胞a組合獲得超胞，單胞間隔小于或等于P/2即可，單胞間隔與所有單胞高度的總和小于P即可。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，所述超胞結(jié)構(gòu)層(2)呈直線排布或沿圓環(huán)周向陣列排布。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，所述超胞結(jié)構(gòu)層(2)按照周期P沿直線排布得到超表面，超表面長度與板殼結(jié)構(gòu)(1)的寬度W1相同，超表面將板殼結(jié)構(gòu)(1)分為兩個區(qū)域，彈性波從彎折型單胞與板連接側(cè)入射時被吸收；
10.基于權(quán)利要求1-9任一項所述的一種全角度彈性波高效吸收超表面的設(shè)計方法，其特征在于，具體步驟如下：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，包括板殼結(jié)構(gòu)(1)，通過切割部分板殼結(jié)構(gòu)(1)構(gòu)建超胞結(jié)構(gòu)層(2)，多處超胞結(jié)構(gòu)層(2)將切割后的板殼結(jié)構(gòu)(1)連接；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，所述超胞結(jié)構(gòu)層(2)的寬度與排列周期p一致，長度l取1/5至1倍波長，超胞結(jié)構(gòu)層(2)的厚度與板殼結(jié)構(gòu)1的厚度均為h，超胞結(jié)構(gòu)層(2)和阻尼層(3)具有相同的長度l和寬度p，阻尼層(3)厚度hl取1至2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，所述超胞結(jié)構(gòu)層(2)的入射波和反射波關(guān)系可表示為：sinθin+nλ/p＝sinθr；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，所述超胞結(jié)構(gòu)層(2)至少包括兩個單胞結(jié)構(gòu)，一個連接型單胞b和一個懸臂型單胞a，超胞結(jié)構(gòu)層(2)的長度l與連接型單胞b長度一致，l在1/5至1倍波長范圍內(nèi)；
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全角度彈性波高效吸收超表面，其特征在于，非對稱超胞由兩個單胞構(gòu)成，懸臂型單胞a和連接型單胞b，懸臂型單胞a一端與板殼結(jié)構(gòu)(1)需要吸收入射波的一側(cè)連接，另一端自由，懸臂型單胞a連接端長寬為c；連接型單胞b連通板殼結(jié)構(gòu)(1)，用于降低透射率，使得大部分入射波被...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：沙振東，程怡婷，趙天，劉詠泉，李鈺峰，張云浩，
申請(專利權(quán))人：西安交通大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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