一种低频宽禁带声子晶体单胞及声子晶体板结构、应用

1.本发明涉及声子晶体板领域，具体是一种低频宽禁带声子晶体单胞及声子晶体板结构、应用。


背景技术：

2.随着现代社会的进步与发展，人们对环境保护、节约资源的意识逐渐增强，对振动和噪声所引起的环境公害问题有了更多的关注和重视。振动是一种常见的物理现象，由于振动或冲击而产生的结构共振、疲劳破坏等危害到大型建筑的结构安全给国家带来巨大的经济损失，特别是交通荷载引起的桥梁振动和噪声等问题给人们生活带来巨大的危害。为了解决建筑物振动问题，可采用减振阻尼器、速度锁定器等减振措施。但现有减振措施如减振阻尼器、速度锁定器等存在自重过大、施工困难等问题。
3.声子晶体结构作为一种新型的减振系统，可用于建筑物中进行减振。但现有声子晶体结构存在禁带起始频率过高，禁带宽度较低、材料价格昂贵等问题，很难大规模应用，也不易对交通荷载引起的0-100hz范围内的振动产生效果。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种低频宽禁带声子晶体单胞及声子晶体板结构，以解决现有技术声子晶体结构由于禁带起始频率过高、禁带宽度较低、价格昂贵，导致难以用于建筑物作为减振措施的问题。
5.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种低频宽禁带声子晶体单胞，包括刚性芯体以及包裹于刚性芯体周向外侧面的弹性包裹层，弹性包裹层外环套有刚性套筒，且弹性包裹层与刚性套筒之间具有环向间隙，所述环向间隙内设有若干连接件用于连接弹性包裹层、刚性套筒，刚性套筒外套装有功能梯度材料外壳，且刚性套筒周向外侧面与功能梯度材料外壳内壁相连接。
6.进一步的，所述功能梯度材料外壳由物性参数过渡函数为的功能梯度材料制成，其中：t为功能梯度材料任意位置的物理性能；tc为刚性透气材料的物理性能，起到使功能梯度材料透气的作用，优选环氧树脂;yv为刚性支撑材料的物理性能，起到作为功能梯度材料刚性基材的作用，优选为钢。
7.x 为横坐标，即以声子晶体单胞的长度方向为x轴方向的横坐标，且。
8.进一步的，所述功能梯度材料外壳由功能梯度材料通过3d打印一体成型，功能梯度材料刚性透气材料所占比例按0.07x随坐标变化，功能梯度材料刚性支撑材料所占比例按1-0.07x随坐标变化。
9.进一步的，所述连接件为刚性连接件，可采用任意刚性材料优选为环氧树脂，每个连接件一端连接于弹性包裹层周向外侧面设置的凹槽中、另一端连接于刚性套筒内壁设置
的凹槽中。
10.进一步的，所述连接件两端与对应的凹槽胶接连接。
11.进一步的，所述刚性芯体周向外侧面与弹性包裹层内壁之间胶接连接。
12.一种低频宽禁带声子晶体板结构，包括若干上述的声子晶体单胞。
13.进一步的，若干声子晶体单胞的按二维周期分布排列，形成二维周期结构声子晶体板。
14.进一步的，各个声子晶体单胞的大小、形状相同，每个声子晶体单胞自身的长、宽、高相同。
15.一种低频宽禁带声子晶体板结构在建筑物减振的应用。
16.本发明的原理为：本发明针对局域共振型声子晶体结构特点设计一种含功能梯度材料的声子晶体，本发明采用功能梯度材料外壳可以有效缓解结构应力集中问题，更适用于建筑结构减振，刚性芯体以及包裹于刚性芯体周向外侧面的弹性包裹层作为局域共振振子，采用刚性连接件连接振子与刚性套筒及功能梯度材料外壳可以减缓振动的传播，局域共振振子通过自振与结构内传播的弹性波进行耦合产生弹性波禁带，最后通过有限元仿真发现本发明结构在0~100 hz存在弹性波禁带，其起始频率为0 hz，总禁带宽度为93.1hz，可以有效控制0~100hz内弹性波的传播从而应用于建筑结构的低频减振。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、本发明与传统声子晶体结构相比，禁带拥有更低的起始频率和更宽的禁带范围。
18.2、本发明在0~100hz内总禁带宽度93.1hz，0~100hz内占比为93.1%，可以有效隔绝交通荷载引起的振动。
19.3、本发明采用功能梯度材料作为外壳，可以通过采用不同的物性参数，达到调节声子晶体板的禁带范围，能够适应不同类型振动的需求，同时减少应力集中。
20.4、本发明与传统减振措施相比施工方便，结构简单、减振效果更佳、自重更轻等优势，用于建筑时具有良好的减振效果。
附图说明
21.图1是本发明实施例中声子晶体单胞整体结构示意图。
22.图2是本发明实施例中声子晶体单胞结构爆炸图。
23.图3是本发明实施例中声子晶体板结构图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.实施例一本实施例公开了一种低频宽禁带声子晶体单胞，如图1、图2所示，包括功能梯度材
料外壳1、环氧树脂连接板2、刚性芯体3、刚性套筒4、弹性包裹层5。
26.本实施例中，功能梯度材料外壳1为立方体，尺寸为长35mm、宽35mm、高70mm，功能梯度材料外壳1中设有通孔，通孔的半径为13mm，通孔的轴向长度为70mm。
27.功能梯度材料外壳1由物性参数过渡函数为的功能梯度材料制成，其中：t为功能梯度材料任意位置的物理性能；tc为刚性透气材料的物理性能，起到使功能梯度材料透气的作用，优选环氧树脂；yv为刚性支撑材料的物理性能，起到作为功能梯度材料刚性基材的作用，优选为钢。
28.x 为横坐标，即以声子晶体单胞的长度方向为x轴方向的横坐标，且。
29.制成功能梯度材料外壳1的功能梯度材料优选钢和环氧树脂作为基材，其中钢的物性参数为泊松比0.300、密度7780kg/m3、弹性模量21.06e
10
,环氧树脂的物性参数为泊松比0.368、密度为1180kg/m3、弹性模量为4.350 e
10
。
30.当然，本实施例中制成功能梯度材料外壳1的功能梯度材料还可以采用其他两种工程材料制成，只要两种工程材料的物性参数满足上述物性参数过渡函数公式即可。
31.本实施例中，功能梯度材料外壳为钢和环氧树脂通过3d打印一体成型，其中功能梯度材料刚性透气材料所占比例按0.07x随坐标变化，功能梯度材料刚性支撑材料所占比例按1-0.07x随坐标变化。
32.本实施例，刚性套筒4同轴设于功能梯度材料外壳1的通孔内，并且刚性套筒4的周向外侧面通过胶水与功能梯度材料外壳1的通孔内壁相连接。刚性套筒4的内壁设有四个矩形的凹槽6，四个凹槽6沿环向均匀分布，每个凹槽6的高度为1mm，长度为70mm，宽度为0.1mm。
33.刚性套筒4的材料为钢与功能梯度材料外壳选用同种钢材，刚性套筒4的外径为13mm，内径为11mm、轴向长度为长70mm。
34.本实施例中，刚性芯体3同轴设于刚性套筒4内，弹性包裹层5包裹于刚性芯体3的周向外侧面，并且弹性包裹层5、刚性芯体3周向外侧面之间通过胶水连接。弹性包裹层5的周向外侧面设有四个凹槽，并且弹性包裹层5的凹槽与刚性套筒4内壁的凹槽形状大小相同、位置一一对应。
35.刚性芯体3为钢材料制成的实心圆柱芯体，与功能梯度材料外壳选用同种钢材，刚性芯体3的半径为8mm、轴向长度为70mm。
36.弹性包裹层5为硅橡胶材料制成，硅橡胶材料的物性参数为泊松比0.469、密度1300kg/m3、弹性模量1.175e5。弹性包裹层5的外径为9mm、内径为8mm、轴向长度为70mm。
37.本实施例中，环氧树脂连接板2共用四个，四个环氧树脂连接板2一一对应设于相对应的凹槽之间，每个环氧树脂连接板2一端通过胶水连接于弹性包裹层5周向外侧面对应的凹槽中，每个环氧树脂连接板2另一端通过胶水连接于刚性套筒4内壁对应的凹槽中。
38.制成每个环氧树脂连接板2的环氧树脂材料与功能梯度材料外壳选用同种环氧树脂，每个环氧树脂连接板2均为矩形板，每个环氧树脂连接板2的长为2.2mm，宽为70mm，高为1mm。
39.实施例二本实施例公开了一种基于实施例一声子晶体单胞制成的低频宽禁带声子晶体板结构，如图3所示，包括若干声子晶体单胞7，各个声子晶体单胞7呈二维周期阵列排列。本实施例中各个声子晶体单胞7共用同一个功能梯度材料外壳1，即采用一个功能梯度材料板，在该功能梯度材料板中加工多个通孔用于装配声子晶体单胞7的其他部件，由该功能梯度材料板作为各个声子晶体单胞7共用的外壳。
40.本实施例的声子晶体板结构可用于桥面板减振、桥梁支座减振、建筑支柱等建筑物的减振。
41.上述的详细描述仅是示范性描述，本领域技术人员在不脱离本发明所保护的范围和精神的情况下，可根据不同的实际需要设计出各种实施方式。例如，根据实际需要设计不同光栅延时单元的数量以及对应的光延时量。