减振超材料、制造方法和建筑

本发明涉及结构工程，具体而言，涉及一种减振超材料、制造方法和建筑。

背景技术：

1、振动是工程结构承受的主要作用之一，如地震、风振、地铁振动、人行振动等。振动可能影响结构的日常使用功能和舒适度，甚至导致安全风险。因此，振动控制成为机械工程和结构工程领域的重点问题。

2、目前，发展较为成熟，且应用较为广泛的振动控制主要手段是在结构中附加消能减振装置，即阻尼器。通过阻尼器可耗散振动能量，进而控制结构的振动响应。

3、作为结构振动被动控制技术中不可或缺的重要材料之一，减振超材料建筑结构振动的控制中发挥着至关重要的作用。但是，现有减振超材料大多停留于概念和构型阶段，均未提出具体可行的基本材料和制备方法。如：多胞局域共振型超材料、局部共振声学超材料、具有内部谐振单元的拉胀六手性声学超材料等等。

4、吴昆等(吴昆,高玉强,王立峰等.多胞局域共振型超材料的减振实验研究[j].南京航空航天大学学报，2022，54(05)：908-914.doi：10.16356/j.1005-2615.2022.05.015)提出了具有低频带隙的轻质周期性局域共振超材料构型，并用于空间桁架结构的振动抑制实验。实验表明，在不明显增加附加质量和安装空间的前提下，多胞周期超材料对立方体柔性桁架展现出良好的减振应用效果。该多胞局域共振型超材料模型由波传播方向上的多个元胞组成，其中每个元胞由外部的大质量体101和内部的通过第一弹簧102和第一阻尼器103与大质量体101相连的小质量体104组成，元胞与元胞之间也通过第二弹簧105和第二阻尼器106进行连接，如图1所示。

5、该模型通过在振动传播方向上以一定的形式将多个元胞进行连接，同时将胞内小质量块以类似方式与胞体相连，从而实现了多胞局域共振，对整个结构体系起到了调谐减振的作用。通过质量块相对主体的反方向移动，从而减弱结构整体的振动效应，耗散振动能量。但该材料目前处于构型阶段，没有切实可行的制备方法。而且，该多胞局域共振型超材料只能在一维方向上对结构进行调谐减振。

6、jie deng等(deng j，guasch o，maxit l，et al.a metamaterial consisting ofan acoustic black hole plate with local resonators for broadband vibrationreduction[j].journal of sound and vibration，2022，526:116803.)将一组周期性局部谐振器连接到声黑洞(abh)板202上从而形成局部共振声学超材料。该局部共振声学超材料模型是由板202和附在板202上的周期性局部谐振器组成，其中周期谐振器模型由第三弹簧201以及通过第三弹簧201与板202连接的质量块203组成。当振动作用在板202的表面上时，通过质量块与板202之间的相互作用，在该方向上对结构的振动进行调谐，实现局部共振。以此来减弱板结构的振动效应，耗散大量的振动能量。但该局部共振声学超材料只能在一维方向对结构调谐减振，也没有具体可行的制备方法，而且该超材料的减振对象为噪声控制。材料模型如图2所示。

7、pei sun等(sun p，guo h，**f，et al.mechanics and extreme low-frequencyband gaps of auxetic hexachiral acoustic metamaterial with internal resonantunit[j].applied acoustics，2022，200:109046.)对传统的拉胀蜂窝结构进行改进，通过将六手体框架与十字韧带内共振单元进行结合，形成一种具有内部谐振单元的新型超材料。该材料在满足传统拉胀蜂窝结构具有重量轻、比强度高、阻尼性能好的同时，还可以通过内部谐振单元的旋转移动来进行调谐减振，减小结构振幅、耗散振动能量。其结构如图3(a)到图3(d)所示。

8、该材料实现了共振单元与结构的良好结合，通过内部共振单元相对于结构体系的旋转来实现共振，从而达到减小结构振幅、耗散振动能量的目的。该材料制备难度大，只能制作二维构件，无法用于大型构件，而且仅能用于对噪声的控制。

9、feiyang he等(he f，shi z，zhang z，et al.antioptimization of mass-in-mass acoustic metamaterials based on interval analysis[j].mechanical systemsand signal processing，2023，205:110855.)利用区间模型处理局部谐振器的内质量、弹簧刚度和阻尼系数，建立了区间质量间的声学超材料模型。通过相关实验研究了有限周期质-质系统局部谐振器的设计参数对频带间隙行为的影响。结果表面，有限周期质量-质量系统可以形成58.7324hz到86.0697hz的低频带隙。其结构如图4和图5所示。

10、该模型由多个一维相连的元胞和元胞内部的小质量体组成。在振动的一维传播方向上以一定的形式将多个元胞进行连接，同时将胞内小质量块以类似方式与胞体相连，从而实现了多胞局域共振，对整个结构体系起到了调谐减振的作用，减弱结构的振动效应，耗散振动能量。但该多胞局域共振型超材料目前尚处于构型阶段，没有合适的制备方法，减振对象主要为声振，而且只能在一维方向上对结构进行调谐减振。

11、综上所述，现有的减振超材料存在以下问题：

12、(a)只在单维度振动方向上具有良好的减振效果，不能多维度、多方向同时进行；(b)目前大多处于构型阶段，没有合适的制备方法；(c)适用范围有限，无法用于大型构件；(d)减振的对象主要以一定范围的机械振动或噪声控制为主，对结构的减振控制范围有限；(e)实现难度较大且不易于处理。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的在于提供一种减振超材料，以解决现有减振效果不佳的技术问题。

2、本发明提供的减振超材料，包括胞元化基体，所述胞元化基体设有多个容纳腔，多个所述容纳腔均与所述胞元化基体的外表面连通；所述容纳腔中容纳有耗能振子，所述耗能振子配置为能够在所述容纳腔中滚动。

3、本发明减振超材料带来的有益效果是：

4、在胞元化基体内部的容纳腔中设置耗能振子，在振动作用下相对胞元化基体进行多自由度反方向移动，使得结构的振动能量在耗能振子和胞元化基体之间重新分配，使得该减振超材料在满足结构基本承载力的同时能够在更大程度上耗散振动能量，减缓结构的振动效应，起到了良好的调谐减振效果。

5、可选的技术方案中，所述耗能振子为圆球形，所述容纳腔为圆球形，且所述耗能振子的直径小于所述容纳腔的直径。

6、可选的技术方案中，所述容纳腔与相邻的全部所述容纳腔直接通过腔间连通孔连通。

7、可选的技术方案中，所述容纳腔紧密排布于所述胞元化基体。

8、本发明的第二个目的在于提供一种制造方法，以解决减振效果不佳的技术问题。

9、本发明提供的制造方法，用于制造上述任一项的减振超材料，所述制造方法包括：

10、形成三维数字模型；

11、将三维数字模型切片处理；

12、在打印平台设置支撑结构；

13、喷涂熔融材料；

14、去除支撑结构。

15、采用上述的制造方法制造该减振超材料，相应地，该制造方法具有上述减振超材料的所有优势，在此不再一一赘述。

16、本发明的第三个目的在于提供一种制造方法，以解决减振效果不佳的技术问题。

17、本发明提供的制造方法，用于制造上述任一项的减振超材料，所述制造方法包括：

18、获得裹盐体；

19、将所述裹盐体放置于第一模具中；

20、使得熔融金属液在第一模具中渗流；

21、将第一模具及其中的所述裹盐体和所述熔融金属液冷却；

22、溶出盐体。

23、采用上述的制造方法制造该减振超材料，相应地，该制造方法具有上述减振超材料的所有优势，在此不再一一赘述。

24、可选的技术方案中，所述获得裹盐体包括：

25、将水与盐分搅拌均匀，形成盐体；

26、将第二模具浸入脱模剂中，并且在第二模具中添加盐体；

27、将球本体放入模具中心，将所述第二模具对齐后挤压，将多余的所述盐体挤出。

28、可选的技术方案中，所述获得裹盐体还包括：将所述第二模具打开后，将所述裹盐体烘干。

29、可选的技术方案中，所述第二模具的内径为8mm～10mm，所述球本体的直径为4.5mm～5.5mm。

30、本发明的第四个目的在于提供一种建筑，以解决减振效果不佳的技术问题。

31、本发明提供的建筑，所述建筑包括上述任一项的减振超材料。

32、通过在建筑中设置上述减振超材料，相应地，该建筑具有上述减振超材料的所有优势，在此不再一一赘述。