專利名稱：基于波型轉(zhuǎn)換機理和能量局域效應(yīng)的Moebius隔振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隔振器，更具體的說，涉及一種利用Moebius帶狀結(jié)構(gòu)所具有的波型轉(zhuǎn)換機理和能量局域效應(yīng)作為隔振機理的隔振器。
背景技術(shù)：
隔振器被廣泛應(yīng)用于機械設(shè)備的隔振中。采用隔振器的設(shè)計目標(biāo)是使隔振系統(tǒng)的固有頻率盡可能低，隔振效率盡可能高。但是決定其承載能力、穩(wěn)定性的靜剛度和決定其隔振性能的動剛度是一對矛盾。從隔振器設(shè)計的角度出發(fā)，對靜剛度的要求為使隔振器具有較大的承載能力和各個方向較小的變形，以滿足穩(wěn)定性要求；對動剛度的要求為使隔振器的原點阻抗盡量與被連接結(jié)構(gòu)發(fā)生阻抗失配，而傳遞阻抗較大以產(chǎn)生較大的振動衰減。
目前常用的隔振器又橡膠隔振器、空氣彈簧隔振器、鋼絲繩隔振器、金屬橡膠隔振器和金屬曲梁隔振器等。由于橡膠隔振器、金屬橡膠隔振器和空氣彈簧的靜剛度、動剛度都是由橡膠、金屬絲和空氣的縱向變形來提供，因此無法同時滿足較小的靜變形和較低的隔振頻率，并且結(jié)構(gòu)內(nèi)部的縱波會無阻礙地進行傳播，導(dǎo)致傳遞阻抗較??；鋼絲繩隔振器主要由彎曲變形來承受靜載荷和動載荷；金屬曲梁隔振器由縱向變形和彎曲變形提供靜剛度和動剛度，能夠承受較大載荷并同時滿足較低固有頻率。且由于曲梁的彎曲波和縱波耦合，具有波型轉(zhuǎn)換效應(yīng)，縱波和彎曲波的相互轉(zhuǎn)換可實現(xiàn)能量的衰減，其傳遞阻抗較大。但由于縱波和彎曲波的轉(zhuǎn)換發(fā)生在較高頻段，因此這種衰減通常發(fā)生在較高的頻率段。Moebius帶狀結(jié)構(gòu)是一種具有初始扭曲和彎曲的手征性結(jié)構(gòu)。其不但具有曲梁的彎曲波和縱波的耦合及相互轉(zhuǎn)換，也存在這兩種波與扭轉(zhuǎn)剪切波之間的耦合和相互轉(zhuǎn)換，與扭轉(zhuǎn)剪切波之間的轉(zhuǎn)換會進一步降低波型轉(zhuǎn)換發(fā)生的頻率，使得傳遞導(dǎo)納在較低頻率即可實現(xiàn)能量的衰減，提高能量轉(zhuǎn)換的效率。在近期的研究中，Starostin和Heijden發(fā)現(xiàn)Moebius帶狀結(jié)構(gòu)在其穩(wěn)定形狀時，其扭曲和彎曲所蘊含的彈性能被局域在結(jié)構(gòu)的最大曲率處，曲率較小區(qū)域的能量較小[Starostin, E.，Van Der Heijden, G. The shapeof a Mobius strip. Nature Materials, 2007, 6 (8) : 563-567, Starostin, E. , Van DerHeijden, G. :M0bmS帶狀結(jié)構(gòu)的形狀，自然-材料學(xué)]。這一能量局域性質(zhì)可用來構(gòu)造新型隔振器。由于能量局域效應(yīng)，一方面，在Moebius帶狀結(jié)構(gòu)的曲率較小區(qū)域形成變形能較小的區(qū)域，可以用于隔振設(shè)計；另一方面，由于在曲率較大的區(qū)域存在能量和模態(tài)的局域現(xiàn)象，形成局部模態(tài)，造成類似于橡膠隔振器駐波效應(yīng)的內(nèi)部共振現(xiàn)象，因此，需要對這些局部模態(tài)加以抑制。為克服金屬隔振器阻尼較小的特點，可采用自由阻尼層及主、被動約束阻尼層的辦法進行改善。自由阻尼層將橡膠等粘彈性材料直接粘貼在結(jié)構(gòu)表面，通過拉壓變形消耗能量，因此阻尼效率較低，但是其處理方便。如果采用自由阻尼層，由于Moebius帶狀結(jié)構(gòu)存在初始的扭轉(zhuǎn)剪切變形，且彎曲波、縱波和扭轉(zhuǎn)波之間可發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，其剪切變形可能會加強阻尼層的能量耗散，增強阻尼層在中、高頻的阻尼效果。目前，國內(nèi)外尚無該項技術(shù)研究應(yīng)用于制造新型隔振器的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種基于波形轉(zhuǎn)換機理和能量區(qū)域效應(yīng)的Moebius隔振器。該Moebius隔振結(jié)構(gòu)具有承載能力大、靜變形小、固有頻率低，能夠?qū)崿F(xiàn)低頻的寬頻帶傳遞導(dǎo)納，具 有較高阻尼，不發(fā)生蠕變、老化和溫度敏感性等優(yōu)點。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下—種基于波形轉(zhuǎn)換機理和能量區(qū)域效應(yīng)的Moebius隔振器,是利用Moebius帶狀結(jié)構(gòu)所具有的彎曲波、縱波和扭轉(zhuǎn)波耦合和相互轉(zhuǎn)換、能量局域性質(zhì)作為隔振機理的隔振結(jié)構(gòu)，所述Moebius隔振器是將多個Moebius帶狀結(jié)構(gòu)組合在一起構(gòu)成,所述多個Moebius帶狀結(jié)構(gòu)之間通過上部承力平臺和下部承力平臺相連為一整體結(jié)構(gòu)，所述上部承力平臺和下部承力平臺分別與Moebius帶狀結(jié)構(gòu)的上部斜面區(qū)域和下部圓弧區(qū)域相連。在所述Moebius帶狀結(jié)構(gòu)的上下表面粘貼自由阻尼層，增強結(jié)構(gòu)的阻尼效果。所述上部承力平臺結(jié)構(gòu)是一個下部有兩個楔形曲面的質(zhì)量塊。所述上部承力平臺或下部承力平臺可以設(shè)計成一整體式，與多個Moebius帶狀結(jié)構(gòu)相連。所述上部承力平臺或下部承力平臺可以設(shè)計成兩兩相連，然后再通過一過渡結(jié)構(gòu)相連形成一個整體。所述上部承力平臺和下部承力平臺之間的Moebius帶狀結(jié)構(gòu)可以是3個或4個。所述Moebius帶狀結(jié)構(gòu)是封閉的。所述Moebius帶狀結(jié)構(gòu)是不封閉的。所述Moebius帶狀結(jié)構(gòu)去掉了上部承力平臺和下部承力平臺之間的較短的彎曲扭轉(zhuǎn)部分。所述Moebius帶狀結(jié)構(gòu)可以正裝，也可以反裝。本發(fā)明中，由于采用的Moebius帶狀結(jié)構(gòu)是具有的初始彎曲和扭曲的結(jié)構(gòu)，其在受載時由彎曲變形、縱向變形和扭轉(zhuǎn)變形一起承受靜載荷和動載荷。本發(fā)明利用了 Moebius帶狀結(jié)構(gòu)中彎曲波、縱波和扭轉(zhuǎn)波相互耦合和轉(zhuǎn)換的機理，以及能量在Moebius帶狀結(jié)構(gòu)中的分布具有局域性的特性，在Moebius帶狀結(jié)構(gòu)中合理設(shè)計上、下不連接點，利用振動在Moebius帶狀結(jié)構(gòu)中傳遞時的波型轉(zhuǎn)換實現(xiàn)振動衰減。在Moebius帶狀結(jié)構(gòu)的表面粘貼自由阻尼層以增強自由阻尼層的剪切變形，實現(xiàn)能量耗散，并消除曲率較大部分的疲勞應(yīng)力。所設(shè)計的Moebius隔振結(jié)構(gòu)具有承載能力大、靜變形小、固有頻率低，能夠?qū)崿F(xiàn)低頻的寬頻帶傳遞導(dǎo)納，具有較高阻尼，不發(fā)生蠕變、老化和溫度敏感性等優(yōu)點。


圖I是一種常見的Moebius帶狀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是由圖I所示的Moebius帶狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 Ca)是圖2的主視圖；圖3 (b)是圖2的俯視圖；圖3 (C)是圖2的側(cè)視圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明技術(shù)方案做一詳細(xì)的說明圖I所示的常見的Moebius帶狀結(jié)構(gòu)，是一種具有初始彎曲和扭曲的單側(cè)曲面的Moebius帶狀結(jié)構(gòu)。圖2是由上述Moebius帶狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)由上部承力平臺I、兩個Moebius帶狀結(jié)構(gòu)2和下部承力平臺3構(gòu)成。上部承力平臺I是一個下部有兩個楔形曲面的質(zhì)量塊。上部承力平臺I和下部承力平臺3通過螺栓分別與Moebius帶狀結(jié)構(gòu)2的上部斜面區(qū)域和下部圓弧區(qū)域相連，將兩個Moebius帶狀結(jié)構(gòu)2聯(lián)系在一起?？赏ㄟ^在Moebius帶狀結(jié)構(gòu)2的上下表面粘貼厚度約2 3mm的自由阻尼層，增強結(jié)構(gòu)的阻尼效果。圖3 (a) 圖3 (C)是上述Moebius帶狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的三個方向上的視圖。 本發(fā)明中，將多個Moebius帶狀結(jié)構(gòu)2 (粘貼自由阻尼層和不粘貼自由阻尼層)組合在一起，就構(gòu)成Moebius隔振器。Moebius隔振器的上部承力平臺I和下部承力平臺3可以設(shè)計成整體式，通過一個承力平臺和多個Moebius帶狀結(jié)構(gòu)2相連。也可以設(shè)計成兩兩相連，最后再通過一過渡結(jié)構(gòu)相連形成一個整體。上述結(jié)構(gòu)承受靜載荷的方式是當(dāng)Moebius隔振結(jié)構(gòu)受到靜載荷時，上部承力平臺經(jīng)受到壓縮向下部發(fā)生位移，這些靜位移將由Moebius帶狀結(jié)構(gòu)的懸臂部分的橫向變形提供一部分，因此整個Moebius隔振結(jié)構(gòu)在受到重載時向下發(fā)生的位移不大。并且由于Moebius隔振結(jié)構(gòu)是一空間結(jié)構(gòu)，其他方向的載荷也會通過上部承力平臺傳遞給Moebius帶狀結(jié)構(gòu)的懸臂部分，因此，Moebius隔振結(jié)構(gòu)是一個具有多向承載能力的隔振結(jié)構(gòu)。當(dāng)振動經(jīng)過上部承力平臺傳遞到所設(shè)計的隔振結(jié)構(gòu)時，振動一部分會通過Moebius帶狀結(jié)構(gòu)上、下承力平臺之間的較短的彎曲扭轉(zhuǎn)部分進行傳遞，另一部分會通過Moebius帶狀結(jié)構(gòu)上、下承力平臺之間的較長的彎曲扭轉(zhuǎn)部分進行傳遞，兩者在傳遞的過程中均會發(fā)生彎曲波、縱波和扭轉(zhuǎn)波的波型轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)能量的衰減，并且后者在傳遞過程中會局域在較大的曲率處，實現(xiàn)能量的局域效果。粘貼自由阻尼層后能量會通過阻尼層的剪切效應(yīng)得到耗散，實現(xiàn)振動的隔離。上述實施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在閱讀了本發(fā)明記載的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于波形轉(zhuǎn)換機理和能量區(qū)域效應(yīng)的Moebius隔振器,是利用Moebius帶狀結(jié)構(gòu)所具有的彎曲波、縱波和扭轉(zhuǎn)波耦合和相互轉(zhuǎn)換、能量局域性質(zhì)作為隔振機理的隔振結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述Moebius隔振器是將多個Moebius帶狀結(jié)構(gòu)組合在一起構(gòu)成,所述多個Moebius帶狀結(jié)構(gòu)之間通過上部承力平臺和下部承力平臺相連為一整體結(jié)構(gòu),所述上部承力平臺和下部承力平臺分別與Moebius帶狀結(jié)構(gòu)的上部斜面區(qū)域和下部圓弧區(qū)域相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于波形轉(zhuǎn)換機理和能量區(qū)域效應(yīng)的Moebius隔振器，其特征在于，在所述Moebius帶狀結(jié)構(gòu)的上下表面粘貼自由阻尼層，增強結(jié)構(gòu)的阻尼效果。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于波形轉(zhuǎn)換機理和能量區(qū)域效應(yīng)的Moebius隔振器，其特征在于，所述上部承力平臺是一個下部有兩個楔形曲面的質(zhì)量塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于波形轉(zhuǎn)換機理和能量區(qū)域效應(yīng)的Moebius隔振器，其特征在于，所述上部承力平臺或下部承力平臺可以設(shè)計成一整體式，與多個Moebius帶狀結(jié)構(gòu)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于波形轉(zhuǎn)換機理和能量區(qū)域效應(yīng)的Moebius隔振器，其特征在于，所述上部承力平臺或下部承力平臺可以設(shè)計成兩兩相連，然后再通過一過渡結(jié)構(gòu)相連形成一個整體。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于波形轉(zhuǎn)換機理和能量區(qū)域效應(yīng)的Moebius隔振器，其特征在于，所述上部承力平臺和下部承力平臺之間的Moebius帶狀結(jié)構(gòu)可以是3個或4個。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于波形轉(zhuǎn)換機理和能量區(qū)域效應(yīng)的Moebius隔振器，其特征在于，所述Moebius帶狀結(jié)構(gòu)是封閉的。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于波形轉(zhuǎn)換機理和能量區(qū)域效應(yīng)的Moebius隔振器，其特征在于，所述Moebius帶狀結(jié)構(gòu)是不封閉的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于波形轉(zhuǎn)換機理和能量區(qū)域效應(yīng)的Moebius隔振器，其特征在于，所述Moebius帶狀結(jié)構(gòu)去掉了上部承力平臺和下部承力平臺之間的較短的彎曲扭轉(zhuǎn)部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于波形轉(zhuǎn)換機理和能量區(qū)域效應(yīng)的Moebius隔振器，其特征在于，所述Moebius帶狀結(jié)構(gòu)可以正裝，也可以反裝。
全文摘要
一種基于波型轉(zhuǎn)換機理和能量局域效應(yīng)的Moebius隔振器，所述Moebius隔振器是將多個Moebius帶狀結(jié)構(gòu)組合在一起構(gòu)成，所述多個Moebius帶狀結(jié)構(gòu)之間通過上部承力平臺和下部承力平臺相連為一整體結(jié)構(gòu)，所述上部承力平臺和下部承力平臺分別與Moebius帶狀結(jié)構(gòu)的上部斜面區(qū)域和下部圓弧區(qū)域相連。本發(fā)明所提供的Moebius隔振器，利用Moebius帶狀結(jié)構(gòu)所具有的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度耦合，能量局域性質(zhì)作為隔振機理的隔振結(jié)構(gòu)，具有承載能力大、靜變形小、固有頻率低，能夠?qū)崿F(xiàn)低頻的寬頻帶傳遞導(dǎo)納，具有較高阻尼，不發(fā)生蠕變、老化和溫度敏感性等優(yōu)點。
文檔編號F16F7/00GK102927182SQ20121021455
公開日2013年2月13日 申請日期2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月26日
發(fā)明者黃修長, 徐時吟, 華宏星, 張志誼 申請人:上海交通大學(xué)