学术前沿 | 具有表面谐振单元的 3D 打印三维弹性超材料，用于低频隔振

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-08-03 21:53

正文

本研究利用3D打印技术的高制造自由度，设计了一种具有表面共振单元的新型三维弹性超材料。该超材料在表面使用手性连杆和质量块产生局部共振效应，实现了低频和低频宽的全向隔振效果，并具有一定的承载能力。从带隙边缘频率处的带结构和振动模式，说明了局部共振带隙产生的机理。采用有限元方法，系统地研究了结构几何参数和材料性能对带隙的影响。通过仿真和实验得到了超材料的传输特性，两种方法得到的带隙面积吻合较好。通过静态压缩试验，研究了不同框架厚度的超材料的压缩能力，为平衡隔振和承重的工程应用提供了理论指导和数据支持。

本文设计了一种具有表面谐振单元的三维弹性超材料。通过数值模拟分析了该超材料的能带特性，并通过参数化方法分析了结构尺寸和材料性能对能带隙频率的影响。计算了3×3×3阵列结构的透射特性曲线，测试了有限数量单元的隔振效果。随后，通过3D打印技术制作样品进行振动实验，进一步验证了仿真结果的可靠性。最后，通过压缩实验评价了该结构在不同参数设计下的压缩性能。由本研究得出的主要结论如下：

(1)本研究采用3D打印技术，设计并制造了一种具有表面谐振单元的低频隔振的三维弹性超材料。基于超材料带隙边缘的特征模态，分析了带隙产生的机理。该结构通过表面的手性结构增强了局部共振效应，在253∼331Hz和370∼552Hz频段内实现了低频隔振。

(2)详细研究了超材料的多种结构参数，并分析了结构参数的变化对能带隙的影响，为不同的工程隔振需求提供了选择。

(3)对于相同结构的单材料弹性超材料，带隙频率仅取决于其材料的横波速度，而相对带宽基本不受材料性能的影响。因此，在面对不同频率隔振的需要时，不仅可以选择不同的结构参数，还可以使用不同的材料进行制造。同时，在选择材料时，应考虑材料的其他物理和化学性能，如耐腐蚀性和热膨胀系数，以更好地适应工程环境。