一种兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板

本发明属于夹芯板领域，尤其涉及一种兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板结构。

背景技术：

1、轻质夹芯板结构由于其比刚度高、比强度高、重量低、高承载的特性，被广泛应用于机械工程结构中。但是由于轻质夹芯结构的低质量、低阻尼属性，使其很容易产生和传递低频的振动和噪声，这限制了其在工程中的应用，因此需要对其进行低频隔振设计。

2、声学超材料是由阵列化的人工微结构单元构筑的复合声学材料。通过对声学超材料中的微结构单元及其排布方式进行调控设计，可以实现对弹性波和声波的人为高效操控,使其表现出超常的减振降噪性能及优势。局域共振机理的声学超材料可以在亚波长条件下产生低频带隙,可实现小尺寸条件下的低频减振降噪。低频带隙特性使得声学超材料为解决轻质夹芯板结构的低频隔振问题提供了新的方法。

3、声学超材料在轻质夹芯板材料中应用相对较少，目前采用的设计方法主要有：在点阵层附加一定体积的质量块、在面板表面以及点阵空心柱相中附加多相材料组装的局域振子，然而以上方式存在着减弱点阵夹芯板原本的轻质和高承载特性以及增大制造难度等方面的不足。因此点阵夹芯板的轻质高承载和低频隔振的多功能设计仍是一个亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板，不仅解决了夹芯板结构在低频域范围内的隔振问题，而且实现了在轻质的基础上，增强了其结构强度，提高了其承载能力，保持了其优越的力学性能，进而实现了轻质高承载和低频隔振的多功能为一体的特点。

2、为实现以上目的，本发明提供的一种兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板采用以下技术方案：

3、一种兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板，由胞元1沿水平方向周期性排列而成，胞元1包括上面板2、下面板3、点阵增强芯层4。

4、上面板2上开设有中心对称的多个上螺旋孔21；上螺旋孔21的内径所围成的区域下方设置有上圆盘22。下面板3上开设有中心对称的多个下螺旋孔31。下螺旋孔31的内径所围成的区域上方设置有下圆盘32。点阵增强芯层4的上端面与上面板2的下端面固定连接，下端面与下面板3的上端面固定连接；点阵增强芯层4由立方点阵芯层41和竖直加固梁42组成；立方点阵芯层41的体中心点位于上面板2和下面板3的中心点连线上；竖直加固梁42由四根竖直放置的梁组成，四根梁的上下端面分别位于上面板2和下面板3的四个角点。

5、进一步地，上螺旋孔21和下螺旋孔31的数量可以各是2-8个。

6、进一步地，上螺旋孔21和下螺旋孔31的内径应大于上面板2和下面板3边长的1/6，其外径应小于上面板2和下面板3边长的1/2。

7、进一步地，上圆盘22和下圆盘32的厚度可以是0~1/6倍的点阵增强芯层4的高度。

8、进一步地，立方点阵芯层41的点阵类型可以是体心立方型、面心立方型、kagome型、金字塔型、四面体型点阵等。

9、进一步地，夹芯超材料板结构可以整体采用同一种材料制成，也可以各部件采用不同材料制成。

10、进一步地，立方点阵芯层41可以通过焊接方式固定在上面板2和下面板3之间，上螺旋孔21和下螺旋孔31可以通过激光切割方式制造，胞元1整体也可以通过增材制造方式进行一体化制造。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

12、1、本发明采用在上下面板上开设中心对称螺旋孔的方式构造局域振子，螺旋孔所形成的细曲梁可作为低刚度弹簧、螺旋孔内径所围成的区域和圆盘可作为等效质量块，利用局域共振机理获得亚波长的带隙频段，从而解决了夹芯板结构在低频范围内的隔振问题。

13、2、本发明在上下面板上采用穿孔方法巧妙地构造了局域振子，这种就地取材的方式无需附加多相材料来组装局域振子以及大体积的质量块，不以牺牲夹芯板的轻质特性为代价来实现低频隔振，从而保持了夹芯板结构的轻质特性。

14、3、本发明为补偿在面板穿孔所引起的结构强度降低，采用在中间点阵芯层增加竖直加固梁的方式实现结构强度的完全补偿甚至提升，而且以胞元单位计算，竖直加固梁的总质量不及一支点阵梁的质量，从而保持了夹芯板轻质高承载的优越力学性能，进而实现了轻质高承载和低频隔振的多功能为一体的特性。

技术特征：

1.一种兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板，由胞元（1）沿水平方向周期性排列而成，所述胞元（1）包括上面板（2）、下面板（3）、点阵增强芯层（4），其特征在于：

2.根据权利要求1所述兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板，其特征在于，

3.根据权利要求1所述兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板，其特征在于，

4.根据权利要求1所述兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板，其特征在于，

5.根据权利要求2所述兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板，其特征在于，

6.根据权利要求1所述兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板，其特征在于，

7.根据权利要求1所述兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板，其特征在于，

8.根据权利要求1所述兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板，其特征在于，

技术总结本发明公开了一种兼具高承载和低频隔振特性的轻质夹芯超材料板，属于夹芯板领域，能够解决目前夹芯板结构无法兼顾轻质高承载与低频隔振性能的问题。本发明由基于局域共振原理的声学超材料设计的胞元呈水平周期性排布构成，胞元为由上下面板和中间点阵增强芯层组成的轻质夹芯超材料结构，上下面板上内嵌有由螺旋孔构造的局域振子，点阵增强芯层由立方点阵芯层和竖直加固梁组成。本发明不仅可以实现低频域范围内的减振降噪，同时通过巧妙的胞元结构设计使超材料板的轻质高承载能力得以保持甚至增强，可用于重量和承载要求高的隔振设施。技术研发人员：田香玉,曹晓辉,高萌,齐臣,姜宁,李磊受保护的技术使用者：山东理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25