一种周期腔体型低频宽带隙隔振器及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于隔振器领域，更具体地，涉及一种周期腔体型低频宽带隙隔振器及制 备方法。
【背景技术】
[0002] 超精密运动平台是大规模集成电路制造、精微加工、精密测量等纳米制造装备的 核心部件，其微振动具有振幅小（几纳米到几十纳米）、频带宽（数赫兹至数万赫兹）、频率 低等特点，这类微振动的抑制是当前国际振动研究前沿的热点难点问题。为了抑制此类微 振动，用于振动传递抑制的减振结构，其工作频带需要有低频和宽频的特性。
[0003] 周期性结构对某些频率波段的振动和波的传播具有屏蔽或抑制作用，这些频率波 段称为禁带或带隙，因此周期性结构可以用于对带隙频率范围内的振动进行隔离或者衰 减。周期性结构因为具有低频和高频带隙，有望成为超精密运动平台的减振结构。然而，相 对超精密运动平台微振动频率，目前周期性结构尺寸较大，最低频率带隙的频率较高，带宽 较窄，衰减效率低，承载力不足，无法满足实际需求。因此如何获得拥有低频率、宽带隙、可 调节、高振动衰减率等特征的频率带隙，并具有足够承载能力的小型化周期性结构，具有重 要的理论和实际工程意义。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术上的缺陷或改进需求，本发明提供了一种周期腔体型低频宽带隙隔 振器及制备方法，隔振器由多个周期腔体型单元组成周期性结构，腔体中弯曲刚体小的薄 板作为主体，弯曲刚体大的环腔散射体及连接块散射体作为散射体，采用腔体结构增大了 弯曲波传播路径，降低了带隙频率，同时又能使结构保持较小尺寸。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面提出了一种周期腔体型低频宽带隙隔振 器，其特征在于，该隔振器包括两个或两个以上周期单元，每个周期单元包括两个薄板主体 和一个环腔散射体，其中所述两个薄板主体的外缘用所述环腔散射体相连以形成一腔体； 两个所述周期单元之间用连接块散射体相连。
[0006] 作为进一步优选的，所述两个薄板主体为直径相同的圆形薄板，所述环腔散射体 为空心圆柱体，以此形成圆柱形腔体。
[0007] 作为进一步优选的，所述两个薄板主体为直径不同的圆形薄板，所述环腔散射体 为空心圆台，以此形成圆台形腔体。
[0008] 作为进一步优选的，所述两个薄板主体为直径相同的圆形薄板，所述环腔散射体 的母线为曲线，以此形成曲母线形腔体。
[0009] 作为进一步优选的，所述两个薄板主体为方形薄板，所述环腔散射体为空心方柱， 以此形成方形腔体。
[0010] 作为进一步优选的，所述腔体为开放式，所述环腔散射体分成两块或多块。
[0011] 按照本发明的另一方面，提供了一种制备所述隔振器的方法，该方法包括如下步 骤：
[0012] (1)根据隔振器需达到的最低频率带隙的频率选取薄板主体、环腔散射体和连接 块散射体的材料；根据选取的材料制备薄板主体、环腔散射体和连接块散射体，并确定它们 的几何参数，然后组装获得隔振器；
[0013] (2)比较隔振器的最低有效带隙所在的频率与振动源频率，调整薄板主体、环腔 散射体和连接块散射体的材料和几何参数，使得隔振器的最低有效带隙频率低于振动源频 率；
[0014] (3)校核隔振器是否符合安全条件：如果符合，则制备完成；如果不符合，则增大 薄板主体的厚度，减小环腔散射体的内半径，并转入步骤（4);
[0015] (4)重复步骤（2)~（3)，直至步骤（2)和（3)的要求都满足，制备获得周期腔体 型低频宽带隙隔振器。
[0016] 作为进一步优选的，步骤（2)中所述薄板主体、环腔散射体和连接块散射体的材 料和几何参数采用如下方式进行调整：若隔振器的最低有效带隙所在的频率与振动源频率 相差较大，则调节薄板主体的材料和几何参数，直至使最低有效带隙频率低于振动源频率； 若隔振器的最低有效带隙所在的频率与振动源频率略有区别，则微调环腔散射体和连接块 散射体的质量，直至使最低有效带隙频率低于振动源频率。
[0017] 作为进一步优选的，所述安全条件具体为：
[0018] 〇nax< [0],ynax< [y];
[0019] 其中，σ _为最大应力，[σ ]为许用应力，y_为最大挠度，[y]为许用挠度。
[0020] 作为进一步优选的，所述最大应力σ _采用如下公式计算获得：
[0022] 其中，&为环腔散射体内圆半径，Qs为外力施加的载荷，μ为薄板主体材料的泊松 比，私为连接块散射体的半径，h为薄板主体厚度的一半；
[0023] 所述最大挠度y_采用如下公式计算获得：
[0025] 其中，D = 2Eh3/3 (1- μ 2)为薄板主体的抗弯刚度，E为其材料的杨氏模量。
[0026] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的 技术优点：
[0027] 1.本发明的隔振器采用周期性结构，周期单元包括构成腔体的薄板主体和环腔散 射体，周期单元之间通过连接块散射体串联而构成周期性结构，主体和散射体周期性交替 布置，能够产生低频、宽频、高衰减率的带隙；在薄板主体中，通过调节薄板主体的材料和几 何参数，即可确定带隙的频率和宽度；连接块散射体除了作为必要的连接元件，在振动控制 中还起到了集中质量振子的作用，通过改变其质量实现对带隙频率的调节，即通过改变其 材料和几何参数，可以有效地调节带隙的位置和宽度。
[0028] 2.本发明的隔振器主要利用周期性腔体结构产生布拉格散射带隙，不仅可以有效 降低最低频率带隙的频率，克服布拉格散射最低带隙频率相对较高，或带隙频率低但结构 尺寸大的缺点，还具有较宽的带隙，且达到了高振动衰减率的要求；同时避免了局域共振结 构承载力小、带隙带宽太窄的问题。采用腔体结构，增大了弯曲波的传播路径，降低了带隙 频率，相比于常见的长直型周期性结构，保持了较小尺寸，实现了"小尺寸控制大波长"的目 的。
[0029] 3.本发明的隔振器应用于超精密运动平台微振动的抑制，克服目前周期性结构减 振器尺寸较大，最低频率带隙的频率较高，带宽较窄，衰减效率低等缺点，结构简单，制造方 便，成本低廉；其周期性减振单元通过刚柔交叉布置的主体和散射体的共同作用，对振动产 生的弯曲波进行调制，达到振动的隔离和抑制，具有能在更低频率段形成带隙，并同时拥有 更宽的带隙，尺寸相对更小，衰减效率更高的优点。
[0030] 4.由于绝大多数的机械设备在使用隔振器的时候都要求隔振器有相应的承载能 力，一般承载能力强的材料因其刚度较大，难以到达低频区域。而本发明的隔振器在保留相 当的承载能力的同时，可以在低频区域形成大范围密集连续的带隙，并有很好的衰减效率。 从工作频率及承载能力方面来看，本发明的隔振器能更好地适应复杂的环境，具有广泛的 工程应用前景。
【附图说明】
[0031] 图1为周期圆柱腔体型低频宽带隙隔振器；
[0032] 图2为周期圆台腔体型低频宽带隙隔振器；
[0033] 图3为周期曲母线腔体型低频宽带隙隔振器；
[0034] 图4为周期方腔体型低频宽带隙隔振器；
[0035] 图5为周期开放式腔体型低频宽带隙隔振器；
[0036] 图6为周期圆柱腔体型低频宽带隙隔振器1/4三维示意图；
[0037] 图7为结构隔振系统示意图；
[0038] 图8为所述隔振器安装位置及振动传递示意图；
[0039] 图9为周期圆柱腔体型低频宽带隙隔振器力学模型轴对称截面图；
[0040] 图10为周期圆柱腔体型低频宽带隙隔振器力学模型单位角度示意图；
[0041] 图11 (a)和（b