一种带有非线性能量阱的周期结构的制作方法

本发明型涉及一种周期结构,特别是涉及一种带有非线性能量阱的周期结构，属于冲击与冲击防护材料制造的技术领域。

背景技术：

周期结构，又称声子晶体，声子晶体的概念由光子晶体衍生而来，在声子晶体中，弹性常数和密度不同的材料周期的进行排列,相互之间连通的材料称为基体,不连通的材料称为散射体。振动通常是以弹性波的形式在周期结构中传播，弹性波带隙又可称为振动带隙。周期结构的弹性波带隙可用于减振，一方面可以为高精度加工系统提供一定频率范围内的无振动加工环境，保证较高的加工精度要求；另一方面可以为特殊精密仪器或设备提供一定频率范围内的无振动工作环境，提高工作精度和可靠性，同时延长其使用寿命。

非线性能量阱(nonlinearenergysink，nes)的概念提出于2000年左右，它是在动力吸振器的基础上发展出来的。线性动力吸振器需要与主结构发生共振以实现减振，这导致其只能应用于振动频率变化较小的设备。弱非线性动力吸振器能够在一定程度上拓宽减振频带，然而它仍然只能从某一特定频带吸收振动能量。半主动式、主动式和混合式吸振器设计，使动力吸振器具有频率跟踪或多频带减振能力，然而这些方案需要额外的能源装置和控制器，因此其应用存在很大局限性。非线性能量阱是一种具有纯非线性刚度的吸振器，由于具有宽频吸振、轻质等优点，吸引了大量研究者的关注。研究表明，非线性能量阱的吸振效能要明显高于传统被动式吸振器。近年来，非线性能量阱被用于抑制多种结构的振动。

技术实现要素：

技术问题：本发明型的目的是提供一种带有非线性能量阱的周期结构，通过在基体板上周期性设置非线性的能量阱，从而实现对瞬态冲击能量的抑制和吸收。

技术方案：本发明型是一种带有非线性能量阱的周期结构，该周期结构包括板基体，以及按照周期性或者拟周期性排列在所述板基体上凸起设置的m行n列的非线性能量阱；其中非线性能量阱由非线性弹簧、阻尼器和一个小质量块组成；小质量块位于板基体的上方，非线性弹簧和阻尼器分别位于板基体和小质量块之间。

在板基体上凸起设置m行n列的由一层软材料和一层硬材料堆叠成的振子，再在每个振子上设置非线性能量阱。

所述的非线性能量阱和凸起设置的由软材料和硬材料堆叠成的散射体振子在板基体上为单侧或者双侧布置。

所述的非线性能量阱的小质量块为圆柱形，长方体形或者球形。

所述的软材料和硬材料的形状相同或不同，为圆柱形，长方体形。

所述的板基体、非线性能量阱的小质量块以及软材料、硬材料的厚度相同或不同。

所述的m行n列的非线性能量阱组成周期结构的最小的重复单元叫做单胞，各单胞之间的排列形状可以是正方形或正三角形。

所述的板基体的材料为金属、混凝土、陶瓷、纤维增强复合材料或橡胶、聚氨酯材料；软材料为橡胶或聚氨酯高分子材料；硬材料和非线性能量阱的小质量块的材料为金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料。

有益效果：与现有技术相比，本发明型具有以下优势：

1)该周期结构相对于其他振动能量吸收器件尺寸小，造价低。同时制作方便，便于标准化生产。

2)大型机械在复杂的动力学环境中往往会出现宽频特征。以往针对宽频结构的振动控制，主要应用主被动一体化隔振技术。然而，对于具有宽频特征的振动控制机构，主被动一体化振动控制技术很难适应复杂工况。而非线性能量阱具有附加质量小、振动抑制频带宽、可完成定向靶能量传递、可靠性高、鲁棒性强、无需外界提供能源等优点。

附图说明

图1为本发明型nes的小质量块为长方体形的周期结构示意图；

图2为本发明型图1周期结构的单胞示意图；

图3为本发明型nes的小质量块为圆柱形的周期结构示意图；

图4为本发明型双层布置的nes的小质量块为长方体形的周期结构示意图；

图5为本发明型周期结构按照正三角形排列的俯视图；

图6为本发明型在基体板和nes之间还设置有振子的周期结构示意图；

图7为本发明型图6周期结构的单胞示意图；

图8为本发明型nes的结构示意图。

图中有：板基体1、非线性能量阱2、非线性弹簧2-1、阻尼器2-2、小质量块2-3、软材料层3、硬材料层4。

具体实施方式

本发明型的形成方法如下：

m行n列的非线性能量阱按照周期性或者拟周期性排列设置在基体板上；也可以在基体板和每个非线性能量阱之间设置由一层软材料和硬材料堆叠成的振子。非线性能量阱和振子可以在基体板的单侧或者双侧布置。周期结构各个单胞之间排列的形状可以是正方形，三角形或其他多边形。基体板的材料可以是金属、混凝土、陶瓷、纤维增强复合材料或橡胶、聚氨酯等材料。软材料可以是橡胶或聚氨酯等高分子材料。硬材料和非线性能量阱的小质量块的材料可以是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料等。

下面结合附图，通过实施例对本发明型作进一步详细说明：

实施例1：

如图1、2、8所示，本实施例为一种带有非线性能量阱的周期结构。图1在基体板的一侧设置m行n列的非线性能量阱，各单胞之间采用正方形晶格的排列方式，晶格常数设置为α1。nes的小质量块为长方体形，图2非线性能量阱由非线性弹簧、阻尼器和一个小质量块组成。

实施例2：

如图3、8所示，本实施例为一种带有非线性能量阱的周期结构。图3在基体板的一侧设置m行n列的非线性能量阱，各单胞之间采用正方形晶格的排列方式，晶格常数设置为α1。nes的小质量块为圆柱形。非线性能量阱由非线性弹簧、阻尼器和一个小质量块组成。

实施例3：

如图4、8所示，本实施例为一种带有非线性能量阱的周期结构。图4在基体板的两侧设置m行n列的非线性能量阱，各单胞之间采用正方形晶格的排列方式，晶格常数设置为α1。nes的小质量块为长方体形。非线性能量阱由非线性弹簧、阻尼器和一个小质量块组成。

实施例4：

如图2、5、8所示，本实施例为一种带有非线性能量阱的周期结构。图5在基体板的一侧设置m行n列的非线性能量阱，各单胞之间采用正三角形晶格的排列方式，晶格常数设置为α2。nes的小质量块为长方体形。非线性能量阱由非线性弹簧、阻尼器和一个小质量块组成。

实施例5：

如图6、7、8所示，本实施例为一种带有非线性能量阱的周期结构。图6在基体板的一侧凸起设置m行n列的由一层软材料和硬材料堆叠成的振子，再在每个振子上设置一个非线性能量阱，各单胞之间采用正方形晶格的排列方式，晶格常数设置为α1。振子的形状为圆柱形而nes的小质量块为长方体形。非线性能量阱由非线性弹簧、阻尼器和一个小质量块组成。

将非线性刚度振子结构耦合到弹性基体结构后，结构中的瞬态冲击能量会通过被动受控空间传输的方式局部化到非线性附加质量上，从而高效抑制基体结构的瞬态振动。其作用机理是振动结构连接非线性能量阱时，系统振动能量传递给nes后，传递的能量被nes阻尼耗散，整个系统进入下一个共振状态，直至能量耗散到某一零界点后，能量传递结束，系统大多数能量被耗散。非线性能量阱作为一种典型的被动吸振器，有着附加质量小，吸振频带宽等优点。

以上所述仅是本发明型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明型的保护范围。