抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构及其制备方法
本公开涉及多功能超材料，具体涉及一种抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构及其制备方法。
背景技术：
1、针对航空航天、交通运输等领域对轻质高强、抗冲击减震的构件需求，开发轻量化兼具高力学性能及强能量吸收特性的超材料成为目前的重要研究方向。其中，能量耗散型抗冲击材料具有密度低、比强度低、比刚度高、可设计性强、吸能效果好等优点，是抗机械冲击领域中研究的热点之一。
2、与传统的抗冲击超材料相比，能量耗散型超材料都是通过对现有超材料的结构设计，从而在抗冲击的性能上超过了原材料本身。能量耗散型超材料在受到冲击的时候，一方面，将荷载冲击的动能迅速从一个点转移到整个材料平面，有效减少了超材料单位面积内受到的荷载；另一方面，材料通过自身的塑性形变将机械能转换为内势能和内能，从而达到吸收冲击能量的目的。但由于受到冲击后自身发生形变后才能达到较好的吸能效果，因而常以多层阵列结构进行排布，导致结构厚度较大，难以应用于实际的工程问题中。并且，大多数研究都集中在力学特性和吸能效果的研究中，忽略了实际工况中对于减振降噪的需求，过于理想化的单一设计其抗冲击特性，限制了超材料的应用，不符合超材料多功能化设计的发展趋势。
技术实现思路
1、本公开提供的抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构及其制备方法，能够解决当前抗冲击超材料结构厚度较大且功能单一，难以应用于实际工程问题的缺陷。
2、根据本公开实施例的第一方面，提供一种抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构制备方法，该方法包括：
3、制作超弹性材料结构，所述超弹性材料结构以曲梁结构为基础；
4、以所述超弹性材料结构为核心，多边形金属框架为边界，构造具有超阻尼效应的单胞结构；
5、将所述单胞结构以分形结构的形式构建成晶格结构，并根据预设需求排布所述晶格结构，合成超材料板；
6、根据应用场景调整所述多边形金属框架边界形式和所述超材料板数目，形成抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构。
7、在一个实施例中，所述制作超弹性材料结构包括：
8、建立所述曲梁结构的刚度等效模型；
9、根据所述曲梁结构的刚度等效模型计算分析所述曲梁结构的尺寸与刚度之间的关系；其中，所述尺寸包曲梁长度、曲梁宽度、曲梁高度和曲梁数目，所述刚度包括曲梁弯曲刚度和曲梁压缩刚度；
10、根据所述曲梁结构的尺寸与刚度之间的关系确定所述超弹性材料结构的最佳尺寸；
11、根据所述超弹性材料结构的最佳尺寸制作所述超弹性材料结构。
12、在一个实施例中，所述建立所述曲梁结构的刚度等效模型包括：
13、根据压缩势能与弯曲能量之间的关系确定所述曲梁结构等效刚度和等效弯度；
14、根据所述曲梁结构等效刚度和等效弯度建立所述曲梁结构的刚度等效模型。
15、在一个实施例中，所述以所述超弹性材料结构为核心，多边形金属框架为边界，构造具有超阻尼效应的单胞结构包括：
16、获取所述单胞结构的初始应变；
17、根据所述单胞结构的初始应变计算所述单胞结构的特征频率；
18、通过调整所述单胞结构的特征频率获取所述单胞结构的超阻尼效应。
19、在一个实施例中，所述获取所述单胞结构的初始应变包括：
20、根据所述超弹性材料结构的外径和所述多边形金属框架的内径之间的关系，确定所述单胞结构的初始应变；其中，所述超弹性材料结构的外径大于所述多边形金属框架的内径。
21、在一个实施例中，所述将所述单胞结构以分形结构的形式构建成晶格结构，并根据预设需求将所述晶格结构进行排布，合成超材料板包括：
22、将所述单胞结构嵌入至所述多边形金属框架的中心和各个顶点处，构建所述晶格结构；
23、将所述晶格结构堆叠，形成多层级的晶格结构；
24、将所述多层级的晶格结构在同一平面内阵列排布，合成超材料板。
25、在一个实施例中，所述根据预设需求将所述晶格结构进行排布，合成超材料板之前，所述方法包括：
26、将理论分析法与有限元仿真模型相结合评估所述晶格结构的弹性波衰减能力与抗冲击特性；其中，所述理论分析法包括：
27、通过四阶龙格库塔法计算所述单胞结构受到冲击时的动力学响应，并以冲击位移的衰减时间作为冲击吸能效果的评估依据；
28、通过数值仿真分析所述晶格结构的输入端与输出端的冲击加速度，并以冲击加速度衰减率作为晶格结构的冲击吸能效果的评估依据。
29、在一个实施例中，所述方法还包括：
30、在所述超材料板的一侧边界以扫频方式施加加速度，在所述超材料板的另一侧边界测量加速度；
31、根据所述加速度值评估所述超材料板的减震降噪特性。
32、根据本公开实施例的第二方面，提供一种抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构，所述抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构是根据上述所述制备方法制备的。
33、与现有技术相比，本公开提供了一种抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构及其制备方法，通过对单胞结构中曲梁结构的设计，获得易发生旋转屈曲变形的超弹性材料结构，有效地将冲击能量限制在超材料的旋转变形中。同时，通过改变单胞结构的特征频率，获得超阻尼效应，以此大幅提高单胞结构的冲击吸能效果。并基于分形结构的概念，将单胞结构以多边形晶格的形式阵列排布，使得每一个单胞在受到冲击时均在平面内进行旋转运动，有效地将冲击方向的能量分散到平面内，进一步提升了超材料结构的抗冲击特性。另外，阵列排布的晶格结构具有良好的带隙性质，可实现中低频段下的大带宽减振降噪。因此，本公开具有以下优点：
34、1.本公开基于曲梁结构的屈曲特性，设计易发生旋转屈曲并具有超阻尼效应的多边形单胞结构，该单胞结构具有良好冲击能量衰减效果。
35、2.本公开利用分形结构的概念，设计阵列形式的晶格结构，具有大带宽的带隙性质，且带隙范围可调，无需复杂繁琐的制备过程即可实现各个频段的减振降噪。
36、3.本公开利用多层级吸能的概念，提升了超材料结构的冲击能量衰减特性，无需使用多层阵列结构，即可实现良好的抗冲击变形和冲击能量衰减特性，因此可不受加工尺寸的限制，可直接应用于工程结构问题中。
37、4.本公开在实现良好的抗冲击特性的同时兼具了中低频段下的大带宽减振降噪的能力，将超材料的抗冲击特性和减振降噪特性有机结合，实现了多功能化的超材料结构设计，扩大了超材料的使用场景，使其适用于大多数的复杂工况。
38、5.本公开在机械结构的基础上引入超弹性材料的设计，在保证高强度的力学性能的同时，大幅的减轻了结构重量，实现了轻质高强的超材料设计。
39、基于上述理由,本公开在航空航天、交通运输等复杂工况的超材料设计领域具有广泛的应用价值。
技术特征：
1.一种抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构制备方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制作超弹性材料结构包括：
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述建立所述曲梁结构的刚度等效模型包括：
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述以所述超弹性材料结构为核心，多边形金属框架为边界，构造具有超阻尼效应的单胞结构包括：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述获取所述单胞结构的初始应变包括：
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述将所述单胞结构以分形结构的形式构建成晶格结构，并根据预设需求将所述晶格结构进行排布，合成超材料板包括：
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述根据预设需求将所述晶格结构进行排布，合成超材料板之前，所述方法包括：
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述根据应用场景调整所述多边形金属框架边界形式和所述超材料板数目之前，所述方法还包括：
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
10.一种抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构，其特征在于，所述抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构是根据权利要求1至9中任一项所述制备方法制备的。
技术总结
本公开实施例提供的抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构及其制备方法，涉及多功能超材料技术领域。该方法包括：制作超弹性材料结构，所述超弹性材料结构以曲梁结构为基础；以所述超弹性材料结构为核心，多边形金属框架为边界，构造具有超阻尼效应的单胞结构；将所述单胞结构以分形结构的形式构建成晶格结构，并根据预设需求排布所述晶格结构，合成超材料板；根据应用场景调整所述多边形金属框架边界形式和所述超材料板数目，形成抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构。本公开提供的抗冲击与减振降噪一体化多功能超材料结构及其制备方法能够解决当前抗冲击超材料结构厚度较大且功能单一，难以应用于实际工程问题的缺陷。
技术研发人员：赵剑,王鸿宇,刘蓬勃
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23