一种具有准零刚度的非线性超材料隔振器
技术领域
本发明属于超材料和减振降噪技术领域，特别涉及一种具有准零度刚度的非线性超材料隔振器。
背景技术
随着工业的发展，机械设备逐渐大型化、高速化、复杂化，振动和噪声问题日趋突出。舰船作为海权争夺的最主要平台，对水声隐身性能的要求日益升高，而机械振动和噪声是舰船隐蔽航行时的主要噪声源之一。使用隔振器来隔离振动传递成为一种切实可行的减振降噪方法。由隔振原理可知，隔振元器件的刚度越小，隔振效果越好，但对于当前使用最为广泛的橡胶隔振器，刚度越小，横向稳定性越差，往往为了保证系统的稳定性而不得不牺牲隔振效果。准零刚度隔振技术是一种新型的隔振技术，是通过正负刚度并联的方式实现准零刚度，目前很多研究者根据各种正负刚度并联结构，设计制作了多种多样的准零刚度隔振机构，取得了优异的隔振效果，然而目前准零刚度机构存在很多的弊端，机构需要装配的部件，以及辅助装置往往比较多，结构复杂，另外，从发表的文献来看，准零刚度机构只能实现单一方向的隔振，主振方向外其他方向的稳定性较差，很难实现工程应用，因此需要进一步探索新型、简单、可靠的准零刚度隔振元器件，以适应武器装备大载荷低频隔振的工程应用要求。
超材料设计方法是近十年来新兴的一种颠覆性技术，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。采用超材料的结构设计技术来实现准零刚度非线性特征，是近年提出的一种新思想。由于超材料的三向刚度具有可设计性，在保证横向刚度情况下，能在主振方向实现极低的刚度，大大提高隔振性能，而且相比较准零刚度机构，准零刚度超材料隔振器具有结构简单、可靠工程应用性强的特点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有准零刚度的非线性超材料隔振器，能够实现隔振器的准零刚度非线性特征，在保证系统稳定性的情况下，大大降低了隔振器的固有频率，有效提高隔振效果。
一种具有准零刚度的非线性超材料隔振器，所述隔振器由结构件和隔振部件组成，所述隔振部件起隔振和缓冲作用，采用具有一定承载能力的高分子材料，隔振部件内部具有由超材料单胞周期性排列而成超材料结构，超材料单胞的几何外形类似于半个六边形，超材料结构是由超材料单胞在垂向和水平方向周期阵列得到;所述结构件采用金属材料，结构件与隔振部件之间采用机械锁固与胶结的复合方式连接。
进一步地，所述隔振部件中超材料单胞的结构构型是二维结构在第三维方向上的拉伸投影而成;所述几何构型由竖臂、柔性铰链、斜臂和抗拉连接杆组成，几何构型具有六个约束参数：斜臂和水平方向的夹角角度θ，斜臂壁厚tl，竖臂壁厚th，柔性铰链处的半径Rr，斜臂和抗拉连接杆交汇处倒圆半径Rf和超材料单胞的深度D。
进一步地，所述隔振部件的基材压缩模量为15～400MPa，所述超材料单胞沿水平方向几何对称，其斜臂长度L的取值范围为2～100mm，所述斜臂与水平方向之间的夹角θ的取值范围为1～15°，所述斜臂的壁厚tl的取值范围为1.5～20mm，超材料单胞两条斜臂之间的柔性铰链处的半径Rr为1.5～30mm，斜臂与竖臂连接处的内切圆半径Rf为1.5～30mm，所述竖臂的壁厚th范围为1.5～25mm，所述单胞内轮廓的贯穿深度D的取值范围为20～400mm;超材料隔振部件的层数m范围为≥1层，超材料隔振部件的列数范围为≥1列。
进一步地，所述结构件包括上端盖、金属骨架和下底板，结构件起承载、传力和固定隔振器的作用。
进一步地，所述超材料单胞在垂直方向和水平方向上周期性延拓，在垂直方向上，为了保证多层超材料单胞的可延续性以及空洞的可加工性，单胞在垂直方向上作倾斜向上周期性排布，水平方向可无限列排布单胞结构。
进一步地，所述胶结的复合方式连接是通过向隔振部件植入金属骨架，骨架上开设螺纹孔，隔振部件与金属结构件配合面涂敷粘接剂，随后通过螺栓紧固，形成“金属结构件/粘接剂/隔振部件”三层夹板机构来实现结构部件与隔振部件的连接。
进一步地，所述隔振部件的超材料单胞结构采用数控微铣削或金刚石线慢走丝切割加工;所述结构部件材料选用高强钢材料，采用铸造和焊接的方法加工成形，对隔振部件起连接作用。
进一步地，所述柔性铰链位于所有单胞斜臂与竖臂连接处，其厚度小于斜臂厚度，起降低具备应力以及辅助调节所非线性的作用。
有益效果：
1、本发明打破了传统隔振器设计过程中对隔振基材的依赖性，简化新型隔振器的设计，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、本发明通过超材料技术实现了准零刚度非线性力学性能，在额定载荷附近达到极低的刚度，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、本发明的横向稳定性高。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、本发明的适用性强。相比较于传统的准零刚度机构，具有准零刚度的超材料隔振部件加工工艺简单，结构浑然一体，无需额外的辅助连接部件，结构中的正刚度和负刚度均可由超材料自身产生，结构可靠简洁，便于工程应用。
附图说明
图1为本发明的非线性超材料隔振器结构示意图;
图2为本发明的超材料隔振部件基本单胞截面图;
图3为本发明的超材料隔振部件基本单胞3D图;
图4为本发明的超材料隔振部件部分;
图5为本发明的超材料隔振器样机超材料隔振部件;
图6为本发明的超材料隔振器样机;
图7为本发明的超材料隔振器样机的静态载荷位移曲线。
其中：1-上端盖、2-超材料隔振部件、3-金属骨架、4-下底板、5-竖臂、6-柔性铰链、7-斜臂、8-抗拉连接杆。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1所示，本发明提供了一种具有准零刚度的非线性超材料隔振器，所述的非线性超材料隔振器由隔振部件、结构部件构成，如图1所示，其中(2)为超材料隔振部件;结构部件包括：(1)上端盖、植入骨架3和下底板4。超材料隔振部件发挥隔振、缓冲作用;结构部件发挥承载、传力、固定隔振器的作用。
按照上述方案，所述的(1)超材料隔振部件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。如图1所示，隔振部件微结构的结构构型是二维结构在第三维方向上的拉伸投影而成。所述几何构型的主要结构由竖臂5、柔性铰链6、斜臂7和抗拉连接杆8组成，构成的基本单胞构型如图2和图3所示，主要有六个参数约束角度θ，斜梁壁厚tl，竖梁壁厚th，柔性铰链处的半径Rr，倒圆半径Rf，并联行数m和并联列数n，超材料单胞的深度D。
超材料隔振部件是由图2和图3基本单胞构型在垂直方向和水平方向上周期性延拓，在垂直方向上，为了保证多层单胞的可延续性以及空洞的可加工性，单胞在垂直方向上作倾斜向上周期性排布，水平方向可无限列排布单胞结构，图4为形成的两种超材料结构算例。
本实施例选取隔振基材为某橡胶材料，基材压缩模量为100MPa,隔振器设计目标为额定载荷200Kg,在额定载荷处，刚度准零。经超材料设计方法优化出的单胞结构参数如下：斜臂长度L的取值为14.8mm，斜臂与水平方向之间的夹角θ的取值为7.5°，斜臂的壁厚tl的取值为3.0mm，竖臂的壁厚th为3.5mm，隔振部件的单胞两组斜臂连接处的内切圆半径Rr取值为2.1mm，隔振部件斜臂与竖臂连接处的内切圆半径Rf取值为3.0mm，单胞内轮廓的贯穿深度D的取值范围为80mm，由上述单胞形成超材料结构的层数m为2层，列数n为2列。
隔振部件的结构示意图如图5所示，其上下端面均开设有定位抗剪切槽，方便装配时定位，同时防止结合界面因剪切而剥落，其次配合面开设有螺栓连接用圆形凹槽，增大螺栓紧固时的压紧受力面积，缓解局部应力集中。隔振部件垂直于单胞孔贯穿方向开设有金属骨架植入槽，用于植入金属骨架，为超材料隔振器隔振部件与结构部件提供机械锁固连接，金属植入骨架的作用一方面提供金属螺纹连接孔，另一方面增大螺栓机械连接界面的受力面积，降低界面应力集中，防止隔振部件局部撕裂。
隔振部件与结构部件通过机械锁固和胶结复合连接，形成的隔振器样机如图6所示，按照上述实施例设计制造的隔振器产品,其静态力学曲线如图7所示，额定载荷200kg。在额定载荷处非线性超材料隔振器的刚度为0N/mm，非承载方向X向静刚度为875N/mm，Y向静刚度为1510N/mm。非承载方向的静刚度均远大于主承载方向，弥补了传统橡胶隔振器的不足，有利于提高隔振系统的抗侧滑、抗纵倾、抗横摇能力。
隔振器的设计包括以下步骤：
(1)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、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他辅助机构的材料选择范围;
(2)按照步骤(1)获取的设计输入，建立超材料隔振部件的有限元模型，对超材料隔振部件的六个尺寸参数进行优化设计，以获取需要的力学非线性特征为优化目标，确定所述的超材料隔振部件的几何尺寸。
(3)按照步骤(2)所确定的材料及超材料隔振部件的几何参数，结合步骤(1)中所述的接口尺寸，设计非线性超材料隔振器隔振部件、机械结构部件的具体形式、尺寸以及连接方式。
(4)根据步骤(3)所确定的隔振器各个部件的具体形式与尺寸，按照所确定的材料选取合适的加工工艺加工样机，用于力学性能测试。
(5)对步骤(4)形成的样机进行力学性能测试，将测试结果与步骤(1)所确定的设计需求进行对比，若不满足则重复步骤(1)至步骤(5)，直至满足设计需求，形成最终的设计方案。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
