一种带孔空心杆和基于带孔空心杆的吸声结构

1.本实用新型涉及多功能空心点阵超材料领域，是一种带孔空心杆和基于带孔空心杆的吸声结构。


背景技术：

2.以车辆、航空器、航天器为代表的运载工具的发展对结构的力学性能提出了越来越高的要求。除了刚度、强度等传统承载性能要求外，重量和吸能性能是两个尤为重要的指标。
3.一方面，轻量化对运载工具的发展有重要意义，对于汽车，轻量化是节能、降耗、增加续航里程的重要途径，过短的续航里程是目前新能源汽车的最大痛点；对于航空器，轻量化对提高燃油经济性起着重要作用；对于航天器，1公斤的重量将影响上百公里的射程。
4.另一方面，运载工具的安全性主要依靠以吸能结构为代表的被动安全系统来保障，防撞吸能性能是运载工具的结构设计中的重要考量。
5.除了轻质、承载、防撞吸能等力学性能要求外，现代运载工具部件还需要能够提供吸声、减振、散热管理，健康监测、执行传感或致动等多种功能。
6.为了满足航空、航天、车辆等运载工具的发展，需要研制同时满足多种功能要求的新型轻质材料，实现结构功能一体化。受此驱动，轻质多功能点阵超材料的研究成为学术界和工程界的关注热点。


技术实现要素：

7.为解决现有技术中的不足，本实用新型提供一种带孔空心杆和基于带孔空心杆的吸声结构。
8.本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
9.根据本实用新型的一个方面提供一种带孔空心杆，包括杆体；
10.所述杆体内部设有空腔，所述杆体上设有通孔，所述通孔与空腔连通，所述使通孔与空腔构成一helmholtz共振腔；
11.所述空腔包括圆柱形腔体，所述圆柱形腔体的两端连接有半球形腔体或半椭球形腔体，优选为半椭球形腔体，实心结点与中部空心杆之间平滑过渡，配合空腔使得杆件中部到结点处截面形状逐渐过渡，每根杆中间形成一胶囊状的空腔，可通过调节其半长轴、半短轴大小来调整弧面曲率，有效降低应力集中；
12.所述杆体为圆柱形，所示杆体的直径2-6mm，长度10-18mm。
13.对比与现有技术，本实用新型的有益效果在于：空心杆的空腔和通孔构成了一个helmholtz共振腔，形成了声学超材料中常见的局域共振效应，当系统受到声波作用，通孔中的空气和空腔内空气形成协振系统，由通孔内空气有效质量和空腔内空气弹性组成的一维振动系统，因而对作用声波有共振现象，共振频率是式中f0是亥姆
霍兹共振器的共振频率，c是声速，l和 d是通孔的长度和直径，s是通孔的截面积，v是空腔的容积。当作用的声波频率与系统共振频率相同时发生共振，共振腔可将声能转化为内能，起到吸声的作用。
14.进一步的，所述通孔位于空腔的中部，所述通孔为圆形孔，所述通孔的直径为0.2-1mm。
15.根据本实用新型的另一个方面提供一种吸声结构，包括上述任意一项所述的带孔空心杆。
16.进一步的，吸声结构包括结点和连接结点的连接杆，所述结点为实心结构，所述连接杆为带孔空心杆；
17.所述结点和连接杆组成若干体心立方胞元，相邻所述体心立方胞元通过连接杆相连接，所述结点与连接杆的连接部位通过弧面平滑过渡。
18.进一步的，所述体心立方胞元包括连接同一结点的8根连接杆。
19.采用上述进一步技术方案的有益效果在于，由结点和连接结点的连接杆组成的周期结构材料，不同于泡沫、格栅等传统多孔材料，周期性结构为三维的有序点阵结构，连接杆中间部位为空心，而在结点处为实心，强化了空心点阵在结点处的强度和刚度。
20.进一步的，所述结点与连接结点的连接杆组成周期性结构，优选的，所述周期性结构为中心对称结构或轴对称结构。
21.对比与现有技术，本实用新型的有益效果在于：
22.结点实心化可以有效防止空心点阵在结点处发生的断裂，增强弯曲主导型空心点阵结构的承载能力，通孔还可以与空腔形成helmholtz共振腔，具有优异的吸声降噪性能，从而实现集成力学-声学于一体的多功能点阵结构超材料；
23.通过结合空心杆和实心结点构造混合式空心点阵，提高结构承载性能；并在每根空心杆上打一通孔形成helmholtz共振腔，产生优异的吸声性能，从而实现承载-吸声多功能点阵结构超材料设计。具有制备方便、可靠性强、构型可调、适应范围广等优点。
24.本实用新型的吸声结构通过对体心立方点阵引入helmholtz共振腔，优选的空腔包括圆柱形腔体，所述圆柱形腔体的两端连接有半球形腔体或半椭球形腔体形成胶囊状空心腔，胶囊状空心腔和保留实心结点来实现轻量化的同时增强空心点阵结构的承载能力，并通过在空心腔上增加通孔来实现优异的吸声降噪性能，形成力学-声学多功能一体化超材料结构设计技术方案。
25.进一步的，所述结点数为z，z＞12，或者所述z＜12。
26.点阵结构中结点数为z，z》12、z《12分别对应着拉压主导型和弯曲主导型点阵结构。拉压主导型材料中结点的约束较多，连接杆受力方向主要沿轴向，能够产生较大的压缩力，一般用来做承载结构；而弯曲主导型材料中结点的约束较少，结点处往往成为塑性铰而发生弯曲，结构的力响应较小，但具有长而稳定的屈服平台，一般用来做吸能结构，将点阵结构空心构型引入弯曲主导型点阵结构，有望得到兼具高比强度和高比吸能的点阵材料。
27.位于最外侧的所述体心立方胞元上存有不与其他体心立方胞元相连接的带孔空心杆；
28.当周期性结构为中心对称结构时，不与其他体心立方胞元相连接的带孔空心杆向远离对称中心的方向延伸；或者，当周期性结构为轴对称结构时，不与其他体心立方胞元相
连接的带孔空心杆位于对称轴上。在不影响吸声结构在结点处的强度和刚度的同时，方便吸声结构在航空、航天、车辆等运载工具中广泛应用。
附图说明
29.附图1是吸声结构示意图，(a)-(c)为依次放大的结构构型，展现了各级结构单元；(d)为(a)中虚线位置剖面图，(e)为(b)中虚线位置剖面图，(f) 为(c)中虚线位置剖面图；
30.附图2是几种不同壁厚的空腔点阵材料与相近密度传统实心点阵材料的比吸能对比图；
31.附图3是本实用新型吸声结构吸声系数-频率曲线示意图。
32.附图中所示标号：1-杆体；11-空腔；12-通孔；2-体心立方胞元；21-结点； 3-吸声结构。
具体实施方式
33.结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
34.实施例1：
35.本实施例提供一种带孔空心杆，包括杆体，所述杆体为圆柱形，所示杆体的直径2-6mm，长度10-18mm，长度10-18mm。所述杆体内部设有空腔，所述杆体上设有通孔，所述通孔与空腔连通；所述通孔与空腔构成helmholtz共振腔。所述空腔包括圆柱形腔体，所述圆柱形腔体的两端连接有半球形腔体或半椭球形腔体，优选的所述通孔位于空腔的中部，所述通孔为圆形孔，所述通孔的直径为0.2-1mm。
36.本实施提供一种应用上述带孔空心杆制得的吸声结构，包括结点和连接结点的连接杆，所述结点与连接杆的连接部位通过弧面平滑过渡，所述连接杆为带孔空心杆，所述结点为实心结构，如图1(b)、(e)所示，作为一种实现方式，所述体心立方胞元包括连接同一结点的8根连接杆。所述结点和连接杆组成若干体心立方胞元并组成周期性结构，体心立方点阵：一种基本的点阵材料拓扑构型，其胞元为立方的体对角线连接组成。如图1(a)、(d)所示，由 27个体心立方(bcc)点阵胞元组成一个3
×3×
3的阵列。由于bcc的maxwell 数小于0，故bcc点阵是一个典型的弯曲主导型点阵。每个胞元含有8根空心圆杆，整个结构含有216个带孔空心杆。每根连接杆的端部为实心截面，中部为空心截面，中间开有一个通孔，使得通孔与空腔构成一个helmholtz共振腔。整个结构含有216个helmholtz共振腔。位于最外侧的所述体心立方胞元上存有不与其他体心立方胞元相连接的带孔空心杆；当周期性结构为中心对称结构时，不与其他体心立方胞元相连接的带孔空心杆向远离对称中心的方向延伸；或者当周期性结构为轴对称结构时，不与其他体心立方胞元相连接的带孔空心杆位于对称轴上。优选的通孔为圆形，连接杆为圆柱形。通孔直径远小于连接杆的直径，从而尽可能减小对结构承载能力的削弱。带孔空心杆的长细比、杆壁厚度、通孔直径、实心结点占比以及实心结点和连接杆之间的过渡曲率等参数均可以根据要求进行调节，从而达到最佳的承载-吸能综合性能。点阵结构中结点数为z，z》12、z《12分别对应着拉压主导型和弯曲主导
型点阵结构。例如：对于更偏重承载的工作场合，可以采用拉压主导点阵构型，并采用较大的结点实心比例(即较小的空腔长度)；对于更偏重吸声的工作场合，可以采用体心立方点阵，并采用较大的空心杆直径以及较小的结点实心比例(即较大的空腔长度)。
37.本实施例提供一种吸声结构的制备方法，包括以下步骤
38.第一步，建立吸声结构的几何模型；
39.第二步，评估空腔与通孔位置，通过预设方法与预打印评估比吸能、比强度、比刚度是否符合预期，若是则进行第三步，若否则更改带孔空心杆的杆径、杆长、通孔、空腔的几何参数，并通过预设方法与预打印评估比吸能、比强度、比刚度是否符合预期，直至比吸能、比强度、比刚度符合预期进行第三步；
40.第三步，铺一层粉末，激光束根据预设几何形状熔化或烧结粉末；
41.第四步，待粉末固化后，将下一层粉末根据预设几何形状覆盖在固化部分上，再进行激光熔化或烧结；
42.第五步，逐层累积成型制得吸声结构，其中，所述通孔中的空气和空腔内空气形成协振系统，由通孔内空气有效质量和空腔内空气组成的一维振动系统，对作用声波有共振现象，共振频率是式中f0是亥姆霍兹共振器的共振频率，c是声速，l和d是通孔的长度和直径，s是通孔的截面积，v是空腔的容积，制得的吸声结构在比吸能、比强度、比刚度方面均比传统bcc结构优异，具体如下表所示：
[0043][0044]
上表为空腔壁厚0.6～1.2mm的bcc结构与相近表观密度传统bcc结构比性能实验数据对比，可以看出带空腔bcc结构在比吸能、比强度、比刚度方面均比传统bcc结构有5％～30％的性能提升。比刚度：材料单位密度的刚度，由材料的刚度(模量)除以材料的密度所得。比强度：材料单位密度的强度，由材料的强度(屈服应力)除以材料的密度所得。比吸收能：单位质量所吸收的能量。将吸能结构完全压溃时的总吸收能量除以结构的质量得到。
[0045]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的
技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能。