Materials & Design-多尺度材料/结构一体化宽带弹性超结构吸振设计

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导读

减振是装备研制和服役过程中的重要课题，尤其是抑制具有大能量、难耗散特征的低频振动。现有的减振技术主要包含吸振、隔振和阻振等。在吸振技术中，传统的动力吸振器存在较大附加质量比、大尺寸和工作频段窄等问题。近二十多年来，超结构由于其亚波长特性，为低频振动能量控制提供了新的思路。对于吸振超结构而言，带隙宽度是一项很重要的性能指标，研究学者们为如何扩大带隙宽度进行了广泛的研究。但是，在100Hz以下的低频范围内，工作带宽往往只能达到十几Hz，且现有的超结构减振器大多只能吸收单个窄带振动。在阻振技术中，颗粒阻尼技术由于其优异的宽带减振效果和环境适应性，在工程实践中得到了广泛的应用。但该方法主要适用于中高频段的阻尼减振，而低频段的阻尼效果较差。对此，如何在保证轻量化的基础上，实现覆盖低频、中频、高频的全频段吸振是一大学术挑战。

因此，论文提出了一种用于宽带减振的轻量化多尺度材料/结构一体化弹性超结构。通过将填充微观颗粒的复合质量体替代宏观超结构减振器中的质量组分，实现了宏观谐振器与微观粒子之间的多尺度结构/材料一体化设计。宏观谐振器吸收低频振动，微观粒子团簇吸收中高频振动，从而实现覆盖低-中-高范围的宽带减振。论文基于带隙理论和气-固两相流理论，系统分析了多尺度超结构的带隙效应和颗粒阻尼引起的中高频耗散能力。多尺度超结构保留了传统局域共振超结构的轻量化和亚波长特性，同时大大拓宽了工作带宽，具有广泛的工程应用前景。

论文提出了一种多尺度超结构，如图2所示。在超结构中引入颗粒阻尼，将质量组分替换为颗粒填充的复合质量体。此时，超结构反映出多尺度特征，宏观尺度下为局域共振超结构，复合质量体共同构成质量组分，存在带隙禁带作用；微观尺度下为非阻塞性颗粒阻尼，存在颗粒间的摩擦和碰撞作用，实现非线性损耗。利用多尺度超结构吸振，将对全频带振动能量进行依次相应地衰减。一般性的，对于超结构单元设计，可以将质量组分替换为颗粒填充的复合质量体，从而在保证甚至提升原带隙宽度的基础上，实现跨频带的减振效果，为超结构设计提供了新的思路。

图2 多尺度超结构及等效模型示意图

作者对超结构带隙作用进行了理论研究。分析过程中，由于颗粒阻尼作用区间分布在中高频范围，而设计的超结构带隙频率范围在低频段，因此分析带隙作用时，颗粒填充质量采用集中质量法。即可以忽略粒子间的相互作用，只考虑粒子与腔体间的作用。理论结果表明，填充颗粒越多，越有利于超结构带隙区间的降低。且由薄板、复合质量体、框架组成的宏观吸振器，比由板、同等重量质量体、框架组成的宏观吸振器能够吸收更低频率的振动。

作者对多尺度超结构的各结构参数和材料参数影响进行了具体的分析，根据参数影响结果，可针对指定吸振频率进行定制化结构设计，带隙特征如图3所示。利用色散曲线、模态位移曲线和模态图，可以判断超结构带隙由弯曲波带隙和完全带隙组成，且带宽达到了现有研究的1.8倍。说明了该结构不仅能够吸收低频振动，且同时存在更加宽泛的带隙频率范围。

图3 多尺度超结构能带结构

论文进一步地对多尺度超结构中微观颗粒的中高频损耗能力进行了理论研究。本文采用气-固两相流法探究了粒子的中高频阻尼效应。气-固两相流法是在气体动力学理论的基础上建立了等效粘性阻尼模型，在考虑颗粒间摩擦、碰撞和运动效应的同时，可以降低计算成本。研究结果表明，如图4所示，在500∼3000Hz范围内，每个峰值都有一定程度的衰减，充分展示了颗粒阻尼的能量耗散特性。换句话说，在超结构中嵌入微观粒子可以发挥颗粒的中高频吸收作用。与前文的带隙理论相结合，这充分说明了基于微观粒子和宏观谐振器设计的多尺度材料/结构一体化超结构，能够有效整合超结构的带隙效应和颗粒阻尼的中高频损耗效应，从而实现覆盖低-中-高频段的全范围减振效果。

图4 气-固两相流仿真模型及中高频频率响应

为了揭示多尺度超结构减振性能，作者进行了力锤激励试验。将设计制备好的多尺度超结构布置在目标吸振钢板的中心区域，试验结果如图5所示，对于设计频率77Hz，振动衰减率达到了88.58%；在500Hz以下低频范围内，尽管设计超结构仅14.39g（附加质量0.24%），但原始振动峰值明显受到抑制，整体衰减率达到60%以上；在500~3000Hz的中高频范围内，依旧得到了很好的衰减。因此，充分表明了在微尺度颗粒的作用下，克服了纯低频减振技术的局限性，多尺度减振超结构能够有效吸收中高频振动能量，达到优异的宽带减振效果。

图5 多尺度超结构力锤激励测试

作者进一步对设计的多尺度超结构开展了传输试验测试，验证了实际带隙区间和减振区间。试验结果如图6所示，可以看到，在43∼100 Hz的频率范围内存在一个传输谷，这是由于超结构的带隙作用引起的；而在500~3000Hz范围内，由于颗粒阻尼的强损耗作用，反映出了良好的振动区间覆盖能力（灰色阴影），更直观地展示了谐振器-颗粒阻尼对低-中-高频宽带减振的影响，实现了协同耦合宽带减振性能。

图6 多尺度超结构传输试验

为了验证实际加工样件相较于仿真设计的准确性，作者开展了驻波管试验。对于具有固定边界的板式局域共振单元，其一阶共振频率对应于能带结构中弯曲波带隙的下边缘，也对应于声传递损耗曲线的第一波谷频率或传输曲线的第一峰值频率。为保证数据的准确性，防止颗粒填充引起的不确定影响，采用无颗粒填充腔的对照组结构进行测量。拟合结果表明，与仿真模型相比，实际处理的样品仅有约3.07%的带隙偏差，表现出良好的一致性。

为了更好地与现有研究进行比较，论文列出了一些现有研究的带隙范围，如图7所示。可以看出，该多尺度超结构单元不仅在低频段具有足够低的带隙和更宽带宽，而且在中高频段也表现出良好的效果。该结构的作用区间跨度大，具有较好的大范围宽带减振效果，对超结构设计研究具有重要意义。

图7 多项研究减振区间对比

作者进一步地对颗粒粒径和填充率等颗粒参数影响进行了试验验证。根据不同粒径和填充率下振动衰减的测量结果可以看出，一方面可以通过改变颗粒的大小来改变减振效果，但粒径不宜过小或过大，粒径在10 μm左右时可以获得最佳的减振效果。另一方面，可以通过调节颗粒的填充率来改变减振效果，但是在低频范围内，如果填充率太低，不仅不能达到良好的减振效果，反而会导致负面影响。在中高频段，减振效果与填充率呈正相关，当填充率达到99%时，减振效果最佳。

图8 不同填充率下多尺度超结构低-中-高频段测试曲线