一种兼具吸能和减振的多功能力学超材料单元及结构

本发明涉及减振与吸能防护领域，特别涉及一种兼具吸能和减振的多功能力学超材料单元及结构。

背景技术：

1、航空航天、高速列车等大国重器逐渐向大型、重载、精密的方向发展，其应用常常需要面临着吸能和低频宽带等复杂环境，由此带来的多物理属性问题日益突出，但传统的防护结构无法同时实现缓冲吸能和宽低频减振的多功能效果。因此，急需发展一种高性能多物理属性的新技术，以解决缓冲吸能、小尺寸条件下的低频宽带减隔振的难题。

2、目前，超材料的研究热点是设计具有多功能的新型结构材料，例如具有负泊松比的多孔结构是典型的力学超材料，由于这种不同寻常的变形模式，负泊松比结构具有优异的力学和物理特性，例如抗压痕、抗剪切和能量吸收效率，这使得它们具有作为防护结构的潜力。但是如何实现缓冲吸能和中低频减振对于超材料来说是一个很大的挑战。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种兼具吸能和减振的多功能力学超材料单元及结构，解决了现有的超材料结构无法同时满足缓冲吸能和中低频减振的问题。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种兼具吸能和减振的多功能力学超材料单元，包括形状相同的子结构和基体结构，所述子结构和基体结构均包括四根横向杆和八根v字形的内凹杆，四根所述横向杆对称平行设置，八根所述内凹杆分别设置在相邻两根横向杆同侧的端部，所有的所述内凹杆的凹部均位于横向杆之间，位于同侧四根所述内凹杆的内凹部之间连接有两根v字形的外凸杆，所述基体结构嵌设在外层结构的内部，所述基体结构和子结构的外凸杆之间连接有第一连接杆。

3、进一步的，所述基体结构与子结构的尺寸比值为0.6。

4、通过上述设置，可在装配过程中确保负泊松比结构之间接触无缝隙，应力波可以在结构中连续传播，从而提高超材料的吸能性能。

5、进一步的，每根所述横向杆与内凹杆端部之间的夹角为63°。

6、本发明提供的另一种技术方案：一种兼具吸能和减振的多功能力学超材料结构，由多个上述的任一所述力学超材料单元构成，相邻两个所述力学超材料单元上相邻的两个内凹部之间连接有第二连接杆，相邻的两个所述力学超材料单元共用横向杆或第二连接杆。

7、与现有技术相比，本方案的有益效果：

8、1、本方案提供了一种兼具吸能和减振的多功能力学超材料单元及结构，能够解决现有的超材料结构无法同时满足缓冲吸能和中低频减振的问题。

9、2、本方案具有良好的缓冲特性和吸能特性，相较于基于3d衍架的三维可重入六边形结构，多功能力学超材料能在相同质量的前提下显著提高吸能特性，在准静态压缩时，结构的吸能特性能提高30％，缓冲特性提升80％。

10、3、本方案通过振动测试实验可知：传输曲线在1375hz～2135hz和4715hz～9965hz频率范围内表现出明显的振动衰减，带隙在这两个频率范围内形成，而纵波在其他频率范围内传播，表明多功能力学超材料可以在低频范围内以低质量密度实现弹性波的宽带隔离。

11、4、本方案的力学超材料针对不同的工况，在设计初期就能针对性的定制满足要求的结构，具有材料和几何尺寸高度可调控的特性，可根据实际应用工况进行调整，具有良好的工程应用价值。

技术特征：

1.一种兼具吸能和减振的多功能力学超材料单元，其特征在于：包括形状相同的子结构和基体结构，所述子结构和基体结构均包括四根横向杆和八根v字形的内凹杆，四根所述横向杆对称平行设置，八根所述内凹杆分别设置在相邻两根横向杆同侧的端部，所有的所述内凹杆的凹部均位于横向杆之间，位于同侧四根所述内凹杆的内凹部之间连接有两根v字形的外凸杆，所述基体结构嵌设在外层结构的内部，所述基体结构和子结构的外凸杆之间连接有第一连接杆。

2.根据权利要求1所述的一种兼具吸能和减振的多功能力学超材料单元，其特征在于：所述基体结构与子结构的尺寸比值为0.6。

3.根据权利要求1所述的一种兼具吸能和减振的多功能力学超材料单元，其特征在于：每根所述横向杆与内凹杆端部之间的夹角为63°。

4.一种兼具吸能和减振的多功能力学超材料结构，其特征在于：由多个权利要求1-3中任一所述力学超材料单元构成，相邻两个所述力学超材料单元上相邻的两个内凹部之间连接有第二连接杆，相邻的两个所述力学超材料单元共用横向杆或第二连接杆。

技术总结本发明专利公开了一种兼具吸能和减振的多功能力学超材料单元及结构，具体涉及减振与吸能防护领域。包括形状相同的子结构和基体结构，所述子结构和基体结构均包括四根横向杆和八根V字形的内凹杆，四根所述横向杆对称平行设置，八根所述内凹杆分别设置在相邻两根横向杆同侧的端部，所有的所述内凹杆的凹部均位于横向杆之间，位于同侧四根所述内凹杆的内凹部之间连接有两根V字形的外凸杆，所述基体结构嵌设在外层结构的内部，所述基体结构和子结构的外凸杆之间连接有第一连接杆。采用本发明技术方案解决了现有的超材料结构无法同时满足缓冲吸能和中低频减振的问题，增强了超材料的性能。技术研发人员：尹剑飞,伍杰,张学刚,程乾,杨立鑫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：2024/10/10