CN210978325U - 一种负刚度单胞蜂窝减振结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种负刚度单胞蜂窝减振结构，采用粘弹性材料通过3D打印技术制备，包括外部耗能单元和中心耗能单元，整个结构成一体关于中心对称。本实用新型以粘弹性材料为基础，当外部动载较小时，主要通过外部耗能单元消耗能量，隔离振动；当荷载较大时，中心耗能单元起承载和耗能的作用；使结构在动载下具有高承载力和双级耗能相互转化功能，从而提高结构的承载力、耗能力和可重复使用性。

Description

一种负刚度单胞蜂窝减振结构

技术领域

本实用新型涉及减振装置设计领域，具体涉及一种负刚度单胞蜂窝减振结构。

背景技术

振动广泛存在于自然界中，尤其对船舶、海洋工程结构而言，多数情况下为有害振动，如海洋平台中柴油机、泥浆泵、水泵等机械设备产生的激励不可避免且持续时间长、激励值大，剧烈的振动在高刚度结构中不易衰减且传播快速，不仅会影响设备的正常运行、还会引起结构的疲劳损伤以及危害工作人员的健康。因此，采取有效措施降低有害振动具有重要意义。目前，海洋平台对机械设备产生的局部振动通常采取被动控制技术，如在舱壁铺设粘弹性阻尼层等，但传统的基础隔振和阻尼减振结构不仅质量大，而且都不同程度地增加了结构的整体刚度，使结构的固有频率增大，不利于对中低频振动的控制。因此，一种轻质、高吸能、高刚度的减振装置受到越来越多的关注。

传统的蜂窝夹层板由上下两层高强度的薄面板和中间夹着的蜂窝状芯层组成，具有质量轻、强度高、刚度大、便于成型等优良性能。蜂窝芯层一般采用六边形单胞结构，动载下，蜂窝壁承受压缩荷载，应力快速上升，当超出临界压力后，蜂窝壁在压缩和弯曲荷载下发生塑性变形，结构致密化。由此可见，传统蜂窝板结构通过胞壁发生塑性屈曲吸收能量，但塑性屈曲不可恢复，在一次能量吸收后蜂窝板被压溃，不可重复使用，限制了其能量再吸收和使用寿命。

实用新型内容

本实用新型针对现有蜂窝板存在的问题，提出了一种新型负刚度单胞蜂窝减振结构。它既能表现出可恢复的弹性屈曲，又能承受较大的荷载，同时消耗大量能量。

本实用新型目的是由以下技术方案实现的：

一种负刚度单胞蜂窝减振结构，采用粘弹性材料通过3D打印技术制备，包括外部耗能单元和中心耗能单元，整个结构成一体关于中心对称。

进一步的，本实用新型目的还可以由以下技术方案实现：

所述外部耗能单元包括：压板、垂直连接梁、横向外弯双曲梁及两侧立柱，压板中部通过垂直连接梁与横向外弯双曲梁顶部连接，立柱上端与横向外弯双曲梁端部连接。

所述中心耗能单元包括：横约束梁、纵约束梁、纵向内弯双曲梁、菱形牵引梁、水平连接梁，横约束梁端部与纵约束梁端部相连，纵向内弯双曲梁上下端部与横约束梁固结，菱形牵引梁上下端与横约束梁的中部连接，水平连接梁连接菱形牵引梁水平两端和纵向内弯双曲梁的中部，横约束梁与所述外部耗能单元的两侧立柱连接，使整个结构成一体。

所述双曲梁为预制无应力双曲梁，由一对方向相反的平行耦合弯曲梁组成，形态类似余弦梁，双曲梁的两端和顶部固结并分别与水平方向相切。

所述双曲梁的长度与高度之比K表征双曲梁的曲率，双曲梁的曲率设计为 8<K<12。

所述纵向内弯双曲梁顶部在外部耗能单元两侧立柱之外。

所述约束梁采用两端宽中间窄的变厚度梁。

所述菱形牵引梁由一对方向相反的三角形波纹梁组成。

所述三角形波纹梁的三角形顶角为60°，菱形牵引梁厚度与双曲梁厚度t相同。

所述粘弹性材料为尼龙12。

工作原理

本实用新型在使用时，外部耗能单元的压板分别与隔离体和被隔离体相固定，结构在较小垂向动载下，主要发生外部耗能单元的横向外弯双曲梁屈曲产生的初次负刚度行为，对应一级能量耗散；当荷载持续增大，菱形牵引梁起到一定的承载作用；并将一部分荷载分流到水平连接梁中，当水平分量增大到纵向内弯双曲梁屈曲的临界值时，横约束梁向中心弯曲，利用菱形牵引梁受压运动的双向性，推动纵向内弯双曲梁向外屈曲产生二次负刚度行为，对应二级能量耗散；在卸载过程中借助材料自身粘弹性使结构逐渐恢复到原来形状，从而形成一个周期内结构的力-位移滞回曲线。本实用新型通过菱形牵引梁实现两单元功能的相互转换并承受较大荷载，使结构能够在不同大小的垂向动载下发生一级或双级能量耗散，有效隔离中低频振动，提高结构的耗能力、承载力和可重复使用性，解决了传统蜂窝板塑性变形后不能恢复和普通负刚度蜂窝壁单胞结构承载力低、耗能力低的问题。

有益效果

本发明的负刚度单胞蜂窝减振结构，由外部耗能单元和中心耗能单元组成。当垂向动载较小时，主要为结构外部耗能单元的横向外弯双曲梁屈曲产生初次负刚度行为，对应一级能量耗散；荷载持续增大，中心耗能单元的菱形牵引梁，具有较高刚度，可以承受较大荷载；并将一部分荷载分流到水平连接梁中，菱形牵引梁受压双向运动，推动纵向双曲梁屈曲产生二次负刚度行为，对应二级能量耗散；卸载过程中，利用材料粘弹性结构按原路径返回，恢复初始形状，形成力-位移滞回曲线。整个过程中结构利用菱形牵引梁将外部耗能单元与中心耗能单元结合起来，实现高刚度和双级耗能相互转换的功能，使整个结构具有轻质、高强、高耗能的优点，此外，结构还具有型式简单、制作方便，安装快捷等优点，能够有效隔离中低频振动。

本实用新型以粘弹性材料为基础，当外部动载较小时，主要通过外部耗能单元消耗能量，隔离振动；当荷载较大时，中心耗能单元起承载和耗能的作用；使结构在动载下具有高承载力和双级耗能相互转化功能，从而提高结构的承载力、耗能力和可重复使用性。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构正视剖视图；

图2为图1中所述双曲梁的结构示意图；

图3为图1中所述中心耗能单元的结构示意图；

图4为图1中所述约束梁的结构示意图；

图5为图1中所述约束梁的正视图；

图6为图1中所述牵引梁的结构示意图；

图7为本实用新型实施例的单胞结构在一个加-卸载周期中的滞回特性曲线；

图8为本实用新型实施例的单胞结构并排阵列结构示意图；

图中标号：1-1、压板；1-2、垂直连接梁；1-3、横向外弯双曲梁；1-4、两侧立柱；2-1、横约束梁；2-2、纵约束梁；2-3、纵向内弯双曲梁；2-4、菱形牵引梁；2-5、水平连接梁。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本实用新型进行详细阐述。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本实用新型省略了对公知组件和公知技术描述，以避免不必要地限制本实用新型。所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例是示例性的，旨用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制，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，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“轴向”、“中心”、“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”“垂直”、“水平”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅为便于描述实施例，不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固结”是固定直接连接，成一体。第一特征在第二特征“上”或“下”或“左”或“右”或“之间”可以是第一和第二特征直接接触，也可以是第一和第二特征通过中间媒介间接接触，仅仅表示第一特征之于第二特征的方位是上面或下面或左面或右面或中间。

本实例涉及一种负刚度单胞蜂窝减振结构，采用粘弹性材料制备。尼龙12 作为典型的粘弹性材料具有性能良好、成型率高、价格合适的优点，且3D打印工艺整体性好、简单快捷，因此，优选尼龙12通过3D打印技术(选择性激光烧结SLS)制备。

如图1～7所示，一种负刚度单胞蜂窝减振结构，采用粘弹性材料通过3D打印技术制备，包括外部耗能单元和中心耗能单元两部分。粘弹性材料在受到交变荷载作用时，由于应力应变不同步而表现出滞后效应，从而使结构产生能量损耗并具有可恢复性。

所述外部耗能单元包括：压板1-1、垂直连接梁1-2、横向外弯双曲梁1-3 及两侧立柱1-4；压板1-1为承受外部荷载的元件，横向外弯双曲梁1-3为外部负刚度元件，垂直连接梁1-2为传递外部荷载的元件，直接连接压板1-1和横向外弯双曲梁1-3的顶部，立柱上端与横向外弯双曲梁端部连接。

中心耗能单元包括：横约束梁2-1、纵约束梁2-2、纵向内弯双曲梁2-3、菱形牵引梁2-4、水平连接梁2-5；横约束梁2-1与纵约束梁2-2端部相连，包围在中心耗能单元的外侧起约束和保持双曲梁负刚度行为的作用；主要防止横\纵双曲梁受压过程中的水平\垂直扩张，有效保持双曲梁的负刚度行为。纵向内弯双曲梁2-3上下端与横约束梁2-1固结，为中心负刚度元件，其工作机制与横向外弯双曲梁1-3相同，起耗能作用；菱形牵引梁2-4上下端与横约束梁2-1 的中部连接，为结构的承载和运动方向转换元件，能够将结构的垂向运动转换为水平运动，推动纵向内弯双曲梁2-3向外屈曲产生二次负刚度行为。水平连接梁2-5连接菱形牵引梁2-4水平两端和纵向内弯双曲梁2-3的中部。中心耗能单元2通过横约束梁2-1与外部耗能单元的上下两侧立柱1-4连接。使整个结构成一体。

所述双曲梁为预制无应力双曲梁，由一对方向相反的平行耦合弯曲梁组成，形态类似余弦梁，双曲梁的两端和顶部固结并分别与水平方向相切。双曲梁作为结构的负刚度元件，主要起耗能作用。垂向动载较小时，主要为外部耗能单元的横向外弯双曲梁屈曲发生初次负刚度行为，对应一级能量耗散；荷载持续增大，菱形牵引梁承载并推动中心耗能单元的纵向内弯双曲梁屈曲发生二次负刚度行为，对应二级能量耗散。双曲梁的两端和顶部与水平方向相切，梁的顶部到两端点水平连线的垂直距离为弯曲梁顶部高度h，弯曲梁的厚度为t，根据已有分析：当弯曲梁的高厚比Q(Q＝h/t)>2.3时，弯曲梁才会产生明显负刚度行为；由于弯曲梁屈曲过程中的第二阶屈曲会影响结构的承载力，减弱负刚度行为，因此通过应用两个平行耦合弯曲梁并将其中部和两端固结可以限制第二阶屈曲，使双曲梁在动载下从第一阶屈曲形态突变到反方向的第一阶屈曲形态，即在双稳态间“突变”，体现在力-位移曲线上为：力的值先随位移的增加而增大到最大，随后双曲梁屈曲，力随位移的增大而减小，出现“负刚度”区域，当双曲梁屈曲到反方向初始形态，力反方向随位移增大而增大。

此外，通过对结构进行优化设计得到：双曲梁的长度与高度之比K(K＝L/h) 表征双曲梁的曲率，曲率小承载力大，曲率大承载力小，但曲率过小时在受压过程中易产生明显的第三阶屈曲，即双曲梁变形时出现类似两个峰的形状，卸载时会对结构变形的恢复产生不利影响；反之，如果曲率过大则负刚度不明显，此时耗能低。因此，双曲梁的曲率设计为8<K<12，此时双曲梁的屈曲状态最好，承载力和负刚度特性都能达到最优值。纵向内弯双曲梁顶部在外部耗能单元两侧立柱之外，优选的，顶部所在位置在横向上下两层外弯双曲梁两端之外3-5mm 处，主要防止横约束梁向下弯曲时对纵向双曲梁内侧梁的屈曲产生影响。

约束梁作为双曲梁端部力的约束元件，起到防止双曲梁在受压过程中水平\ 垂直扩展、保持双曲梁负刚度行为的作用。横约束梁2-1为横向外弯双曲梁1-3 的水平扩张提供约束；纵约束梁2-1为纵向内弯双曲梁2-3的垂直扩张提供约束。通过优化设计，本实施例的约束梁采用两端宽中间窄的变厚度梁，如图4 所示。

所述纵向内弯双曲梁通过水平连接梁与菱形牵引梁水平两端连接，由横、纵约束梁包围；菱形牵引梁垂向两端与横约束梁中部连接。

所述菱形牵引梁由一对方向相反的三角形波纹梁组成。菱形牵引梁作为结构的承载和运动方向转换装置，一方面具有较高刚度；另一方面垂向受压荷载一部分被分流到水平连接梁中，结合菱形牵引梁受压具有双向运动性，推动纵向内弯双曲梁向外屈曲发生二次负刚度行为，实现外部耗能单元一级耗能与中心耗能单元二级耗能相互转换的功能，主要作为结构的承载和运动转换元件。优选的所述三角形波纹梁的三角形顶角为60°，菱形牵引梁厚度与双曲梁厚度t相同。

当结构受压时，力-位移曲线如图6所示，具体表现为荷载较小时，外部耗能单元通过横向外弯双曲梁1-3屈曲，产生初次负刚度行为；当荷载持续增大，横向外弯双曲梁1-3中部接触横约束梁2-1，与横约束梁2-1连接的菱形牵引梁 2-4受压，承受一定荷载；随着荷载被分流到水平连接梁中，横约束梁2-1向下弯曲，牵引梁2-4受压双向运动，推动两侧水平连接梁2-5横向运动，从而使纵向内弯双曲梁2-2向外侧屈曲，产生二次负刚度行为；卸载时，借助材料粘弹性恢复结构原来形状，形成力-位移滞回曲线，实现双级耗能的同时提高了结构承载力。

本实用新型的优势为：以粘弹性材料为基础，当外部动载较小时，主要通过外部耗能单元消耗能量，隔离振动；当荷载较大时，中心耗能单元起承载和耗能的作用；使结构在动载下具有高承载力和双级耗能相互转化功能，从而提高结构的承载力、耗能力和可重复使用性。

以上，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，可以根据实际需要制备得到不同高厚比Q、宽度b、曲率K的双曲梁，根据需求将单胞结构拉长，或并排成类似图8所示蜂窝形状，从而使新型负刚度单胞蜂窝减振结构可以满足不同领域的承载力和耗能需要。

任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种负刚度单胞蜂窝减振结构，其特征在于，采用粘弹性材料通过3D打印技术制备，包括外部耗能单元和中心耗能单元，整个结构成一体关于中心对称；所述外部耗能单元包括：压板、垂直连接梁、横向外弯双曲梁及两侧立柱，压板中部通过垂直连接梁与横向外弯双曲梁顶部连接，立柱上端与横向外弯双曲梁端部连接。

2.根据权利要求1所述的负刚度单胞蜂窝减振结构，其特征在于，所述中心耗能单元包括：横约束梁、纵约束梁、纵向内弯双曲梁、菱形牵引梁、水平连接梁，横约束梁端部与纵约束梁端部相连，纵向内弯双曲梁上下端部与横约束梁固结，菱形牵引梁上下端与横约束梁的中部连接，水平连接梁连接菱形牵引梁水平两端和纵向内弯双曲梁的中部，横约束梁与所述外部耗能单元的两侧立柱下端连接，使整个结构成一体。

3.根据权利要求1、2任一项所述的负刚度单胞蜂窝减振结构，其特征在于，所述双曲梁为预制无应力双曲梁，由一对方向相反的平行耦合弯曲梁组成，形态类似余弦梁，双曲梁的两端和顶部固结并分别与水平方向相切。

4.根据权利要求3所述的负刚度单胞蜂窝减振结构，其特征在于，所述双曲梁的长度与高度之比K表征双曲梁的曲率，双曲梁的曲率设计为8<K<12。

5.根据权利要求2所述的负刚度单胞蜂窝减振结构，其特征在于，所述纵向内弯双曲梁顶部在外部耗能单元两侧立柱之外。

6.根据权利要求2所述的负刚度单胞蜂窝减振结构，其特征在于，所述约束梁采用两端宽中间窄的变厚度梁。

7.根据权利要求2所述的负刚度单胞蜂窝减振结构，其特征在于，所述菱形牵引梁由一对方向相反的三角形波纹梁组成。

8.根据权利要求7所述的负刚度单胞蜂窝减振结构，其特征在于，所述三角形波纹梁的三角形顶角为60°，菱形牵引梁厚度与双曲梁厚度t相同。

9.根据权利要求1、2、5、6、7、8任一项所述的负刚度单胞蜂窝减振结构，其特征在于，所述粘弹性材料为尼龙12。

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