一种X形负泊松比局域共振模块及其支撑超材料盘状结构

本发明属于减振抗冲击新材料、新结构，具体涉及一种x形负泊松比局域共振模块及其支撑超材料盘状结构，可应用于现代交通运载工具(船舶、飞机、高铁、新能源汽车)、功能建筑(桥梁、地铁候车厅、隧道)等。

背景技术：

1、负泊松比超材料是一种具有特殊力学性质的材料，其性质有横向膨胀、高度可压缩性、良好的抗冲击和吸能特性以及弯曲刚度调节能力等，这些优异的特性使其在航空航天、电子器件、建筑结构、汽车工业、船舶制造以及生物医学工程等领域有着广泛的应用前景。

2、局域共振声子晶体，简称局域振子，是声学超材料研究的起源。局域振子是指在弹性介质中周期性排列局域共振单元以构成人工周期结构，在亚波长频段利用弹性波的局域共振效应实现低频弹性波带隙，从而达到低频小尺寸减振降噪的目的。通过在传统工程结构上(如杆、梁、板等)上周期性地附加局域共振单元，就可以构建一类局域共振型声学超材料结构，这类新型结构可以产生低频带隙特性，利用其带隙特性可以实现对结构振动与噪声的有效控制。

3、在机械传动系统中，盘状零件往往发挥着重要的支承和联接等作用，但传统盘状零件由于缺乏有效的减振手段，使得动力源的振动轻易的传导至其余零部件，降低系统性能，严重还会导致结构破坏，此外振动产生的噪音还会对人造成危害。现有的负泊松比结构问题在于，通常为平面或者面外进行阵列，极少存在面内圆周阵列的情况，这就使负泊松比结构不能充分发挥其优异的性能。一般的负泊松比结构或局域共振结构是单一的，由于缺少加强结构，其抗冲击能力和整体稳定性也较差。

技术实现思路

1、基于超材料结构思想和负泊松比结构抗冲击能力的不足，本发明提供一种x形负泊松比局域共振模块及其支撑超材料盘状结构。其中，局域振子可通过机械固定法、化学粘合法、热熔焊接法或热固塑性连接等方法的形式固定在x形负泊松比结构单元上，x形负泊松比结构单元绕x形结构壁中内圆环柱外壁向外圆环柱内壁周向分布，并通过x结构单元壁连接内圆环柱外壁与外圆环柱内壁，同时在径向和轴向上起到减振效果，根据实际情况对x形负泊松比结构单元和局域振子的参数进行设计，可以实现多尺度的振动削弱，并且通过x形负泊松比局域共振模块的组合排列可以实现多层级、多应用场景的振动抑制，为盘状零件在支撑和联接过程中保持稳定。

2、为实现上述目的，本发明提供一种x形负泊松比局域共振模块，包括x形结构壁、x形负泊松比结构单元与局域振子。

3、x形结构壁包括内圆环柱外壁、外圆环柱内壁与若干个x形结构单元。

4、内圆环柱外壁通过若干个x形结构单元与外圆环柱内壁连接。

5、x形负泊松比结构单元的数量有若干个，其中心位置有一个通孔，x形负泊松比结构单元与x形结构单元共用x形结构壁，二者在x形结构壁上两两相接，且在内圆环柱外壁与外圆环柱内壁之间的空间中沿径向由小到大周期阵列并周向分布。

6、局域振子包括软包覆层与圆柱芯体，局域振子通过内嵌的形式固定在x形负泊松比结构单元的通孔中。

7、在其中一个实施例，x形结构单元由一对x形结构单元壁组成，两条x形结构单元壁在相反方向上交叉连接。x形结构单元壁是一条连接在内圆环柱外壁与外圆环柱内壁之间的空间上的弧形连接筋。x形结构单元与x形负泊松比结构单元共用x形结构单元壁，二者在x形结构单元壁上两两相接并交替排布，且在内圆环柱外壁与外圆环柱内壁之间的空间上沿径向周期阵列并周向分布。在内圆环柱外壁与外圆环柱内壁之间的空间沿周向的连接层上，相邻所述x形结构单元之间由环形加强筋连接，以及相邻x形负泊松比结构单元之间由环形加强筋连接。

8、在其中一个实施例，局域振子的结构为圆柱体，局域振子在内圆环柱外壁与外圆环柱内壁之间的空间上周期点阵分布。

9、在其中一个实施例，圆柱芯体的结构为圆柱体，软包覆层的结构为圆环柱，软包覆层包覆所述圆柱芯体。软包覆层的径向厚度沿内圆环柱外壁向外圆环柱内壁的径向局部增大。

10、在其中一个实施例，环形加强筋组成的连接层的层数可调整。

11、在其中一个实施例，x形负泊松比结构单元为嵌套在x形结构单元壁上的环状结构。

12、在其中一个实施例，局域振子的数量为多个，各局域振子沿x形结构单元壁的弧线方向，从内圆环柱外壁至外圆环柱内壁的空间上间隔分布在x形结构单元壁中，各局域振子在所述x性结构壁上呈环形分布。软包覆层与圆柱芯体的结构一对一配对连接，且软包覆层可通过机械固定法、化学粘合法、热熔焊接法或热固塑性连接方法嵌套在通孔内。内圆环柱外壁上的第一连接层局域振子的大小确定后，其余层上的局域振子的大小随层数增加成比例增大。

13、在其中一个实施例，软包覆层与圆柱芯体之间可通过机械固定法、化学粘合法、热熔焊接法或热固塑性连接方法固定相连。

14、为实现上述目的，本发明还提供一种支撑超材料盘状结构，包括两个以上x形负泊松比局域共振模块，各x形负泊松比局域共振模块按预定方式排列，排列方式不同会产生不同的带隙效应，通过设计可在x形结构单元壁中实现多尺度减振效应。

15、在其中一个实施例，各x形负泊松比局域共振模块中x形结构单元、x形负泊松比结构单元与局域振子的参数相同或不同。根据实际情况改变x形负泊松比结构单元与局域振子的尺寸和材料参数，可以使其等效的负泊松比结构具有不同的局域共振程度，从而产生不同的局域共振效应；通过改变基体参数，可以实现不同的减振效果。

16、本发明提供的一种x形负泊松比局域共振模块及其支撑超材料盘状结构，通过x形负泊松比局域共振模块的参数设计与对x形负泊松比局域共振模块的组合设计，实现了负泊松比和局域共振效应，在径向上，负泊松比结构可减小一定程度的振动；在轴向上，附加的局域振子能耗散掉一定程度的面外弹性波，可阻碍波向其余零部件上传递，并能高效抑制盘类零件在不同机械连接体上的多尺度多层级的振动，利用环形加强筋使其形成三角形的稳定结构，内轴面内与外轴面外弹性波的统一调控。由于结构表面曲率连续，3d打印时不需要模型的打印支撑结构，使得整体结构简单且稳定性更好，易于安装，不仅可用于传动轴的支承，也可用于轴连接和回转支承等场合，克服了传统负泊松比结构动力源的振动易传导至其余零部件、系统性能降低、易破坏结构等问题。

技术特征：

1.一种x形负泊松比局域共振模块，其特征在于，包括x形结构壁、若干个x形负泊松比结构单元与局域振子；

2.根据权利要求1所述x形负泊松比局域共振模块，其特征在于，所述x形结构单元由一对x形结构单元壁组成，两条所述x形结构单元壁在相反方向上交叉连接；

3.根据权利要求1所述x形负泊松比局域共振模块，其特征在于，所述局域振子的结构为圆柱体，所述局域振子在所述内圆环柱外壁与所述外圆环柱内壁之间的空间上周期点阵分布。

4.根据权利要求1所述x形负泊松比局域共振模块，其特征在于，所述圆柱芯体的结构为圆柱体，所述软包覆层的结构为圆环柱，所述软包覆层包覆所述圆柱芯体；

5.根据权利要求2所述x形负泊松比局域共振模块，其特征在于，所述环形加强筋组成的连接层的层数可调整。

6.根据权利要求1所述多向局域共振模块，其特征在于，所述x形负泊松比结构单元为嵌套在所述x形结构单元壁上的环状结构。

7.根据权利要求1至6任一项所述多向局域共振模块，其特征在于，所述局域振子的数量为多个，各所述局域振子沿所述x形结构单元壁的弧线方向，从所述内圆环柱外壁至所述外圆环柱内壁的空间上间隔分布在所述x形结构单元壁中，所述局域振子在所述x形结构壁上呈环形分布；

8.根据权利要求1至6任一项所述多向局域共振模块，其特征在于，所述软包覆层与所述圆柱芯体之间可通过机械固定法、化学粘合法、热熔焊接法或热固塑性连接方法固定相连。

9.一种支撑超材料盘状结构，其特征在于，包括两个以上权利要求1至8任一项x形负泊松比局域共振模块，各所述x形负泊松比局域共振模块按预定方式排列。

10.根据权利要求9所述支撑超材料盘状结构，其特征在于，各所述x形负泊松比局域共振模块中x形结构单元、x形负泊松比结构单元与局域振子的参数相同或不同。

技术总结本发明公开了一种X形负泊松比局域共振模块及其支撑超材料盘状结构，X形负泊松比局域共振模块包括X形结构壁、X形负泊松比结构单元与局域振子，其中局域振子包括软包覆层与圆柱芯体，局域振子通过内嵌的形式固定在X形负泊松比结构单元上；支撑超材料盘状结构由若干X形负泊松比局域共振模块组成。X形负泊松比结构单元绕X形结构壁中内圆环柱外壁向外圆环柱内壁周向分布，并通过X形结构单元壁连接内圆环柱外壁与外圆环柱内壁。X形负泊松比局域共振模块通过内圆环柱安装在梁类或管类基体结构上。本发明通过X形负泊松比局域共振模块能够实现多尺度、多层级的振动抑制，提高盘状零件的稳定性，且易于安装、方便加工。技术研发人员：尹剑飞,杨立鑫,柯艺波受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29