一种具有可调节非线性力学特征的超材料隔振器的制作方法

本实用新型涉及一种具有可调节非线性力学特征的超材料隔振器，属于超材料和减振降噪技术领域。

背景技术：

水下舰船作为捍卫我国海权的杀手锏，在海洋装备体系建设中具有重要地位。在当前水下对抗中，先敌发现、先敌攻击、先敌脱离是制胜的关键，这对装备的隐身性能提出了苛刻的要求。当前，低频段机械噪声和振动是舰船隐蔽航行时的主要噪声源，在对抗中极易暴露已方目标，低频降噪一直是减振降噪中的难点问题。

使用隔振器消弱振源和隔离振动传递是减振降噪中一种切实可行，行之有效的隔振降噪方法。但受原理限制，传统线性隔振器要实现低固有频率，其动、静刚度就会低，则承载能力变弱，设备横向稳定性变差，低频隔振效果的提升空间有限，这成为当前线性隔振器无法打破的“魔咒”。考虑到材料强度、隔振系统的横向稳定要求，目前隔振器的固有频率都高于7Hz。例如目前实船常用的BE型隔振器，其固有频率为10Hz，其在定载荷下的静变形量约为3.5mm～5mm，如果隔振器的固有频率降低至5Hz，其额定载荷下的静变形达到14mm～20mm，采用该隔振器设计的隔振系统，其稳定性与抗冲击性能大大降低。目前，气囊隔振器的固有频率可低至3.5Hz～5Hz，但是其体积较大，且控制系统复杂。因此必须发展基于非线性特征的新型低频隔振器。

超材料设计方法是近十年来的新兴技术，超材料具有天然材料所不具备的超常物理性质，通过在材料关键物理尺度上的结构有序设计，突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。利用超材料技术设计出的超材料隔振器，目前已经成功将隔振器的三向刚度设计解耦，可以在保证较高的横向刚度条件下，尽可能降低垂向固有频率。然后当前的超材料隔振器设计也局限于线性隔振器范畴，进一步提高低频隔振效果便面临无法突破线性隔振器“魔咒”的窘境。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种具有可调节非线性力学特征的超材料隔振器，打破了传统隔振器设计过程中对隔振基材的依赖，显著改善低频隔振性能，简化隔振器设计，并通过主承载方向在工作范围以外的大刚度以及较高的横向刚度的设计，克服了传统隔振器不能同时满足低频隔振和隔振系统稳定性的矛盾，能够实现低频隔振技术的工程推广应用。

一种具有可调节非线性力学特征的超材料隔振器，该隔振器包括上连接盖、下连接盖、超材料隔振组件和两个轴向调节组件；

所述上连接盖和下连接盖分别固定连接在超材料隔振组件的上下两端，两个轴向调节组件分别安装在超材料隔振组件的左右两侧，两个轴向调节组件能够分别对超材料隔振组件施加轴向预紧力，通过预紧力改变超材料隔振组件的局部刚度；所述超材料隔振组件由单胞结构周期性排列组合而成，单胞结构由斜臂和竖臂组成，斜臂和竖臂呈现一定的角度，并在水平和竖直方向对称布置。

进一步地，所述斜臂的线型为直线型、弧线型、泡状结构型、正弦线型、多次曲线型、端部单侧凸起型或端部双侧凸起型。

进一步地，所述斜臂和竖臂连接的几何形式为直接连接、倒角、局部切除、阶梯斜臂厚度或斜臂截面收缩。

进一步地，所述隔振器主承载方向的静刚度曲线具有非线性特征，呈现出先渐软再渐硬的特点，在额定载荷附近静刚度达到最低。

进一步地，通过隔振器自身的边界约束调节装置，可调节其静刚度曲线非线性特性，使低静刚度载荷区间发生变化，可根据隔振器所承受的不同载荷进行动态适应性调节，满足0～120Kg载荷范围内安全承载且低静刚度特点。

进一步地，所述预紧力的种类为机械力、磁力或电场力。

进一步地，所述预紧力施加控制方式包括位移控制和力控制方式，其中位移控制方式为通过控制预紧位移来实现隔振器不同载荷下的低静刚度特点；力控制方式为根据预紧装置自身的力传感器反馈的预紧力进行调节。

进一步地，所述主承载方向以外的两个方向的刚度是主承载方向额定载荷下刚度的1.5倍。

有益效果：

1、本实用新型打破传统隔振器设计过程中对隔振基材的依赖性，简化新型隔振器设计，有效地缩短了隔振产品的开发周期，拓宽了隔振材料的基材选用范围。

2、本实用新型具有非线性特征的力学性能，在额定载荷附近能达到极低的刚度，显著改善低频隔振性能，为舰船减振降噪提供了一种新途径。

3、本实用新型的横向稳定性高，克服了传统隔振器不能同时满足低频隔振和隔振系统稳定性的矛盾，保证低频隔振效果的同时提高横向稳定性，能够实现低频隔振技术的工程推广应用。

4、本实用新型能够实现精细化控制，半主动低频隔振功能微结构的非线性力学性能可调节，可根据实际承载及振源进行一定调整，充分发挥对低频振动的隔离效果，实现对隔振系统的精细化控制。

附图说明

图1为本实用新型的超材料隔振器调节机构原理图；

图2为本实用新型的超材料隔振器结构示意图；

图3为本实用新型的超材料隔振器超材料结构斜臂示意图；

图4为本实用新型的超材料结构斜臂与竖臂连接示意图；

图5为本实用新型的超材料微结构周期性排列组合示意图；

图6为本实用新型的超材料隔振器产品示意图；

图7为本实用新型的超材料隔振器产品力学性能测试曲线示意图。

其中，1-下连接盖、2-左调节组件、3-超材料隔振组件、4-上连接盖、5-右调节组件、6调节盘、7-调节螺母、8-中心轴、9-调节垫片、10-中心盘、11-T型连接件、12-斜臂、13-竖臂。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

如附图1所示，本实用新型提供了一种具有可调节非线性力学特征的超材料隔振器，该隔振器包括上连接盖4、下连接盖1、超材料隔振组件3、左调节组件2和右调节组件5；上连接盖4和下连接盖1分别固定连接在超材料隔振组件3的上下两端，左调节组件2和右调节组件5分别安装在超材料隔振组件3的左右两侧，左调节组件2和右调节组件5分别对超材料隔振组件3施加轴向预紧力，通过预紧力改变超材料隔振组件3的局部刚度。

如附图2所示，超材料隔振组件由单胞结构周期性排列组合而成，单胞结构由斜臂12和竖臂13组成，斜臂12和竖臂13呈现一定的角度，并在水平和竖直方向对称布置；

单胞结构通过中心盘和竖臂连接在中心轴8上，中心轴8的两端加工有螺纹，左调节组件2和右调节组件5均包括调节盘6、调节螺母7和调节垫片9，左调节组件2和右调节组件5安装在中心轴8的两端。

超材料隔振组件3基材为适用于隔振的任意高分子材料、复合材料以及金属材料；隔振部件微结构的几何构型是二维结构在第三维方向上拉伸投影而成；所述几何构型的主要结构由斜臂12和竖臂13组成，斜臂12和竖臂13在水平或(且)竖直方向对称后，在水平和竖直方向上周期性的串联或并联布置构成；

如图3所示，斜臂的具体线型包括但不限于、直线型、弧线型、、泡状结构型、正弦线型、多次曲线型、端部单侧凸起型、端部双侧凸起型等。线型之间可相互交叉组合，且在同一超材料隔振结构设计中即可采取其中一种也可采取多种组合的方式。

如图4所示，斜臂12和竖臂13连接的几何形式(图中I处放大图)包括但不限于直接连接、倒角、局部切除、阶梯斜臂厚度、斜臂截面收缩等。

隔振部件由人工设计的超材料微结构周期性排列组合而成，通过微结构在水平和竖直方向上周期性的串联或并联布置，在设计过程中对所述隔振器的工作载荷和整体刚度进行综合调整。串联和并联的布置方式比较灵活，如图5所示，如垂直并联布置、双向并联布置、串并联布置I、串并联布置II、串并联布置III等，但不限于图5中所列的斜臂的具体线性及串并联方式。

隔振器在主承载方向反方向及垂直方向上的最大位移限制通过在隔振部件和上连接盖外部増设硬质保护罩的方式进行限制，防止所述的隔振器在受到外部各向过大负载时发生破坏或引起其他周围设施的破坏，兼起美观作用。

按照上述方案，在所述隔振器的部件选择的材料为阻尼较小的材料时，通过在如图2超材料隔振部件形成的内部或外部空间填充或敷设阻尼材料，增强所述隔振器对高频振动的隔离效果。

选取隔振基材为弹簧钢，隔振器设计目标为额定载荷120Kg,要求额定载荷下的固有频率不超过5Hz。如图6所示，经超材料设计方法计算出的设计出的具有可调节非线性特征的超材料隔振器的主要结构参数如下：长、宽、高分别为360×120×105mm，超材料隔振组件的斜臂12采用图2中端部双侧凸起型，斜臂12相对水平方向的倾角为5°，其两侧的凸起为半径R1的半圆弧通过R1的弧线与斜臂12直线部分光滑连接，斜臂12与竖臂13之间的连接形式为带倒角的直接连接，由对称斜臂12和竖臂13组成的微结构基本结构长度为110mm，斜臂12厚度为0.5mm，竖臂13厚度为5mm。微结构基本结构垂直并联三组、水平并联两组后，再在垂直方向对称串联两组构成了超材料隔振组件的纵剖面，纵剖面在垂直纸面上拉伸120mm后所得三维几何构型即为本实施例所述的超材料隔振结构。

如图6所示，本实施例所述的超材料隔振结构分别通过T型连接件11与上连接盖4和下连接盖1连接。T型连接件11的作用一方面是固连超材料隔振结构和上连接盖4以及下连接盖1，另一面方面是在对超材料隔振器进行调节时，对超材料隔振结构和上连接盖4以及下连接盖1的连接位置进行适应性的调整。

根据设计输入，所述上连接盖4的接口为M30普通粗牙螺纹，下连接盖1的接口为4-φ19通孔。

如图6所示，左调节组件2和右调节组件5由两侧厚度为6mm的调节盘6、调节螺母7和调节垫片9组成。所述调节部件的操作方式是通过扭力扳手控制控制调节螺母上的扭矩，以此控制通过调节部件施加在隔振部件上的预紧力。

本实施例进行预紧力调节前后的性能曲线如图7所示。进行精确的预紧力调节后，所述实施例的刚度在120kg载荷下达到最低，其固有频率为3.5Hz，满足设计要求。

超材料隔振器的设计方包括以下步骤：

步骤一：根据设计需求，获取所承受的静态载荷、接口尺寸、振源的振动特性、所需要达到的振动隔离效果、工作环境的机械环境和气候环境等输入，初步界定所述超材料隔振部件及其它辅助机构的材料选择范围；

步骤二：按照步骤一中获取的设计输入，对所述超材料隔振部件进行拓扑设计，采用拓扑优化手段或沿用母型的方式，确定所述斜臂的线型和结构形式；

步骤三：对步骤二所形成的拓扑结构进行参数化，建立几何包含参数化的斜臂结构、串并联布置方式的优先元仿真模型，采用优化设计手段，以获取所述的力学非线性特征、非线性特征的调节范围、寿命等为优化目标，对超材料隔振结构进行参数优化，对采用不同材料所得的设计结果进行优选，最终确定所采用的材料及其优化后的超材料隔振部件的几何参数。

步骤四：按照步骤三所确定的材料及超材料隔振部件的几何参数，结合步骤一中所述的接口尺寸，设计所述超材料隔振部件、结构部件、调节部件、辅助部件以及限位保护罩的具体形式与尺寸。

步骤五：根据步骤四所确定的具体形式与尺寸，按照所确定的材料选取合适的方式加工样机，用于对所形成的力学性能进行测试。

步骤六：对步骤五形成的样机进行力学性能测试，对比测试结果和步骤一中所确定的设计需求，若不能满足则重复步骤一到步骤六，直至满足设计需求，形成最终设计方案。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。