学术前沿 | 一种基于截顶圆锥壳的紧致准零刚度机械超材料

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-06-08 21:03

正文

随着航空航天检测和超精密制造对低频和超低频隔振的需求呈指数级增长，传统的隔振策略由于其外观松散、自重大、机械摩擦增大等缺点，已无法满足这些不断升级的需求。超材料作为一种人工构造的周期性材料，为解决上述问题提供了一种很有希望的方法。本文提出了一种新颖的紧凑的带隙可调一维准零刚度超材料，该超材料由一个具有独特准零刚度结构的以截断锥形壳为中心的单元组成。与传统的隔振结构相比，单片准零刚度配置显著降低了重量和尺寸，以最小的单元数量和紧凑的形状因子确保了高可靠性。采用理论分析、有限元分析和实验相结合的方法，对超材料的隔振性能进行了全面的研究。值得注意的是，本文设计的超材料可以在非常低的频率下实现隔振。通过预先位移的策略应用，整个带隙可以系统地转移到较低的频率范围，从而使启动频率降低到15.01 Hz，显著降低了46.6%。所提出的新型超材料，可以为该领域的研究人员提供参考。

本文提出了一种新型QZS器件的综合设计方法，深入分析了截断锥壳结构，并通过细致的实验进一步验证了该方法的有效性。所设计的一维有限周期QZS超材料结构是将QZS截尾锥壳结构与质量块相结合而成。基于集中质量法推导了结构的色散关系和传输特性，理论预测与有限元分析结果吻合较好。分析结果表明，增加单元胞数可以改善隔振器对弹性波的衰减性能。随着初始预位移的增加，带隙向更低频率方向移动，其中启动频率由28.11 Hz降低到15.01 Hz，显著降低了46.6%，显著拓宽了带隙在0 ~ 100 Hz范围内的覆盖范围。此外，增加材料阻尼会使带隙区间变宽，为未来实现“低频宽带”目标提供了一种潜在的途径。以往的QZS结构存在外形尺寸大、自重过大、结构配置松散、可靠性低等问题。相比之下，本文提出的创新结构可以用最少的单元数实现QZS，大大减小了部件的尺寸，并以非常简单的结构形式保证了高可靠性。在此基础上，本文设计了一种带隙特性可调的新型紧凑QZS超材料结构。通过施加不同的初始预位移，可以使带隙向低频偏移，以满足各种工况的要求。值得注意的是，它可以很容易地使用增材制造技术制造，促进其在工程应用中的实际实施。