一种非局部颗粒阻尼旋转超结构宽低频减振装置

本发明属于工程隔振降噪，尤其涉及具有非局部特性和颗粒阻尼宽低频减振特性的二维旋转周期超结构装置。

背景技术：

1、力学超结构与超材料是一种人工设计的结构，其力学特性(如密度和弹性模量)可以通过设计其内部结构来精确控制。力学超结构与超材料的概念源于电磁超材料的研究。最早的超结构与超材料研究集中在电磁波领域，后来这一概念被扩展到声学领域。2000年代初，研究人员开始探索声学或者力学超结构以及超材料的潜在应用，逐步发展出各种设计和制造技术。与天然结构与材料不同，力学超结构与超材料可以实现一些常规情况无法达到的力学特性，例如完全带隙等。力学超结构具有广泛的应用前景，例如在隔振降噪领域，相比于传统结构，力学超结构能够更加有效的阻隔或者吸收声音与弹性波。

2、颗粒阻尼是一种被动振动控制技术，利用颗粒材料在容器中的相对运动及其与容器壁的碰撞和摩擦来耗散振动能量。颗粒材料(如砂粒、金属球等)在振动时相互碰撞和摩擦，产生内耗，从而减弱振动。颗粒阻尼的概念已有几十年的历史，但其广泛应用和深入研究主要是在近几十年。由于其简单的结构和有效的阻尼效果，特别是在高频振动环境下，颗粒阻尼技术在航空航天、机械工程和土木工程等领域得到了广泛关注。例如，在机械系统中加入颗粒阻尼能够起到减振降噪的效果，在高层建筑和桥梁中也能够减少风振和地震引起的振动。

3、力学超结构和颗粒阻尼在力学和振动控制领域各有其独特的优势和应用场景。力学超结构凭借其精密的设计和可控的力学特性，在隔音、降噪和声波操控方面展示了巨大的潜力。颗粒阻尼则以其简单高效的能量耗散机制，在振动控制和减振方面表现出色。两者的研究和发展不仅丰富了力学和振动控制的理论基础，也推动了实际应用的创新和进步。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种非局部颗粒阻尼旋转超结构宽低频减振装置，结合了旋转结构形式以及颗粒阻尼器的优点，实现宽低频减振降噪；

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种非局部颗粒阻尼旋转超结构宽低频减振装置，包括力学超结构和外腔体；所述力学超结构是由若干个单胞结构在xy平面内呈周期性排列形成的平面周期结构，所述单胞结构由非局部连接结构、基体阻尼结构、连接阻尼结构和杆件组成；

4、所述基体阻尼结构由颗粒阻尼群、挡板、隔板和基体阻尼腔体组成；所述连接阻尼结构由颗粒阻尼群、挡板、隔板和连接阻尼腔体组成；所述非局部连接结构由颗粒阻尼群、隔板、挡板和非局部腔体组成；所述基体阻尼腔体、连接阻尼腔体、非局部腔体内均设置有若干层颗粒阻尼群，每层颗粒阻尼群之间设有隔板，基体阻尼腔体、连接阻尼腔体、非局部腔体内均可拆卸的安装有挡板；

5、所述外腔体与力学超结构通过旋转连接杆件相互连接，力学超结构内的非局部连接结构底部处于悬空的状态。

6、进一步的，力学超结构分为上下两层，其中上层为基体阻尼结构和连接阻尼结构，下层为非局部连接结构；所述下层的非局部连接结构之间通过长连杆相互连接，每个单胞结构内的非局部连接结构顶部通过短连杆与基体阻尼结构相连。

7、进一步的，力学超结构内的基体阻尼结构与连接阻尼结构交替排列，在平面上呈现周期特征，以此实现bragg带隙特性，达到特定频域隔振的效果。

8、进一步的，基体阻尼腔体为顶部敞口的长方体空腔结构，基体阻尼腔体的横截面均为边长60mm的正方形结构，基体阻尼腔体的深度为45mm；基体阻尼腔体的侧壁面及底面厚度均为5mm；基体阻尼腔体的侧壁面法线方向与x方向或y方向均成45度。

9、进一步的，连接阻尼腔体为顶部敞口长方体空腔结构，连接阻尼腔体的横截面均为边长40mm的正方形结构，连接阻尼腔体的深度为45mm；连接阻尼腔体的侧壁面和底面厚度均为5mm；连接阻尼腔体的侧壁面法线方向与x方向或y方向平行。

10、进一步的，相邻两个基体阻尼腔体与连接阻尼腔体之间相近的侧壁面的法线方向互成45度角，且基体阻尼腔体与连接阻尼腔体之间采用旋转连接杆件相互连接，使得由两个腔体组成的单胞结构具有镜像不可重叠性，实现力学超结构内单胞结构对圆偏振动的选择性响应，实现对特定频率范围振动的控制。

11、进一步的，颗粒阻尼群由若干个实心圆形颗粒组成，隔板之间的距离大于实心圆形颗粒的最大直径；连接阻尼腔体与基体阻尼腔体内的隔板为固定在腔体侧壁上或是自由放置在颗粒阻尼群表面；当隔板固定时，通过拆装挡板实现实心圆形颗粒的安装与取出；非局部腔体内的隔板不进行固定；

12、实心圆形颗粒的直径均为9mm，每层颗粒阻尼群之间的层高为10mm；

13、基体阻尼腔体、连接阻尼腔体内相对的两个内壁上均设有竖向凹槽，所述挡板通过所述竖向凹槽可拆卸的与基体阻尼腔体及连接阻尼腔体连接；非局部腔体内相对的两个内壁上均设有横向凹槽，所述挡板通过所述横向凹槽可拆卸的与非局部腔体连接。

14、进一步的，非局部腔体为正方体空腔结构，非局部腔体的横截面为边长40mm的正方形结构，非局部腔体的深度为40mm；非局部腔体上部可拆卸的设置有挡板，非局部腔体的侧壁面和底面厚度均为5mm。

15、进一步的，基体阻尼腔体和连接阻尼腔体内的颗粒阻尼群占腔体体积的1/5～1/2；非局部腔体内的颗粒阻尼群占据非局部腔体体积的1/3～2/3。

16、进一步的，非局部连接结构实现了两个互不直接相连的基体阻尼腔体的直接连接，实现了两个基体阻尼腔体的振动的直接传递，改变了振动模态，加强了局域共振带隙特性；且非局部连接结构内设置非局部腔体，用以进一步耗散超结构宽低频减振装置的振动能量；所述力学超结构常采用3d打印技术获得。

17、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

18、1.本发明装置基于周期的力学超结构，结合基体阻尼结构、连接阻尼结构、非局部连接结构以及颗粒阻尼群进行设计，具有二维周期形式以及布拉格散射带隙特性；同时连接不同基体阻尼腔体的非局部连接结构具有空腔结构，能够作为局域振子，使装置具有局域共振带隙特性，从而使装置具有宽低频隔振的特性。且基体阻尼腔体与连接阻尼腔体之间采用旋转连接杆件相连的方式形成旋转连接结构，通过改变旋转连接的角度，能够调节减隔振频率范围，结合颗粒阻尼群耗散能量的特性，能够最大程度上达到减振隔振的目的。相比较传统的声子晶体隔振器，具有更宽更低的低频带隙特性以及更好的隔振效果。

19、2.相较于传统颗粒阻尼器，本发明每个单胞结构内的基体阻尼结构、连接阻尼结构和非局部连接结构内均采用多层颗粒阻尼群形式，解决了传统颗粒阻尼在振动下底层颗粒阻尼碰撞不充分的问题，使每个颗粒阻尼都能够在振动下充分碰撞，进一步增加了颗粒阻尼群对于振动能量的消耗。

20、3.相较于传统的颗粒阻尼器，本发明每个单胞结构内有三个不同方位的基体阻尼腔体、连接阻尼腔体、非局部腔体，将所有的颗粒阻尼群分别装入三个腔体之中，能够起到多个维度减振隔振的作用。且实心圆形颗粒在各个空腔内的分布具有较小的间隙，在振动下，实心圆形颗粒之间容易发生碰撞，从而达到耗散振动能量的目的。

21、4.相较于一维的隔振降噪装置，本发明能够实现平面内的不同方向的减振隔振，扩大了减振隔振的范围。

22、5.相较于主动隔振器，本发明属于被动隔振器，具有结构简单，可靠性高成本较低的优点。

23、6.颗粒阻尼群内每个实心圆形颗粒的直径均为9mm，每层颗粒阻尼群之间的层高为10mm，这种分层处理能够使颗粒阻尼群及实心圆形颗粒之间碰撞更加充分，从而使耗散的能量达到最大。

24、7.每个非局部连接结构上连接有基体阻尼结构，非局部连接结构之间互相连接，实现了两个互不直接相连的基体阻尼结构的直接连接，实现了两个基体阻尼腔体的振动的直接传递，改变了结构的振动模态，进一步加强了结构的局域共振带隙特性。且非局部连接结构处设置空腔结构，用以进一步耗散结构的振动能量。