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2025【研究】具有可编程任意准零刚度区域的机械超材料

  • 2026-10-21 13:26:47
2025【研究】具有可编程任意准零刚度区域的机械超材料

中文题目具有可编程任意准零刚度区域的机械超材料

英文题目A mechanical metamaterial with programmable arbitrary quasi-zero-stiffness regions

中英文关键词对照

  • 机械超材料 / Mechanical metamaterial

  • 可编程性 / Programmability

  • 准零刚度 / Quasi-zero-stiffness

  • 带隙特性 / Bandgap characteristics

期刊名称Composites Part A: Applied Science and Manufacturing卷 198,2025年,文章编号 109076

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一、研究背景

  • 工程需求:低频振动隔离在工程中至关重要,传统线性隔振方法对低频效果有限。

  • 现有技术局限:

    • 传统准零刚度结构多依赖正负刚度并联,存在结构松散、可靠性低等问题;

    • 多数设计仅具有单一准零刚度区域,无法适应多负载或变负载工况;

    • 现有结构可编程性弱,难以实现灵活、紧凑的多场景隔振。

  • 研究缺口:亟需一种可编程、多平台、高稳定性的准零刚度超材料设计方法。


二、研究方法

  1. 结构设计:

    • 基于旋转直梁负刚度结构,避免传统曲梁或直梁的平面外屈曲问题;

    • 引入局部振子增强局部共振效应,提升低频隔振能力;

    • 设置气流通道避免内部气压影响。

  2. 数值模拟:

    • 使用ABAQUS进行准静态压缩模拟与激励振动动态模拟;

    • 采用C3D20R六面体单元,沿厚度方向划分4–5层网格以提高计算精度;

    • 分析几何参数(如直梁高度 hh、厚度 tt、内外径等)对结构力学行为的影响。

  3. 参数化分析与设计:

    • 通过Python与ABAQUS结合进行参数扫描,研究 h 与 tt对准零刚度行为的影响;

    • 提出比例关系 t/h≈0.6作为实现准零刚度的关键判据。

  4. 可编程组装策略:

    • 通过串联与并联组合不同高度的基结构,实现多级准零刚度平台;

    • 组装形式用矩阵表示,行代表层内排列,列代表层间顺序,值代表直梁高度。

  5. 实验验证:

    • 采用真空铸造法制备复杂结构试样;

    • 使用INSTRON 3344电子万能试验机进行准静态压缩实验,验证仿真准确性。

  6. 带隙特性分析:

    • 基于Bloch定理与晶格动力学理论,推导结构带隙起止频率;

    • 研究不同负载、单元数量、阻尼比对隔振性能的影响。


三、研究意义

  • 理论意义:

    • 提出一种不依赖材料、仅由几何变形实现准零刚度的新机制;

    • 建立了参数化设计-组装编程-带隙调控的系统方法,丰富了可编程超材料的设计理论。

  • 工程应用价值:

    • 实现多负载自适应低频振动隔离,适用于航空航天、精密仪器等领域;

    • 结构紧凑、稳定性高,适合空间受限场景;

    • 为可调带隙装置、多变形器件、智能隔振系统提供新思路。


四、创新点

  1. 结构形式创新:

    • 首次提出旋转直梁基结构,避免传统正负刚度并联结构的松散与可靠性问题;

    • 结构具备高平面外稳定性,有效抑制屈曲。

  2. 可编程性创新:

    • 通过串联与并联组合,实现对准零刚度力值与区域宽度的独立编程;

    • 支持任意多级平台设计,突破传统单一工作位置的限制。

  3. 设计方法创新:

    • 提出准零刚度设计准则,实现参数化快速设计;

    • 采用组装矩阵表征超材料配置,实现灵活的功能编程。

  4. 多功能集成:

    • 集成准零刚度、带隙可调、多级负载适应于一体;

    • 结构具备可控塌陷路径,可用于多变形器件设计。

  5. 材料与工艺适应性强:

    • 准零刚度行为仅依赖几何参数,与材料无关,可使用多种弹性材料;

    • 适用于真空铸造、3D打印等先进制造工艺。

结果与讨论

一、准静态力学特性与参数分析

  1. 关键结构参数的影响:

    • 直梁厚度 tt 与高度 hh 是影响力学行为的决定性参数。

    • 外部半径 LL 与内部直径 bb 主要影响峰值载荷大小,对刚度变化模式影响较小。

    • 结构表现出显著的准零刚度特性,形成稳定的载荷平台。

  2. 参数化设计图与实验验证:

通过参数扫描得到的设计图谱,可指导实现正、负、准零刚度的切换。

    • 实验与仿真结果高度吻合,验证了有限元模型的准确性与设计准则的有效性。

  1. 多级准零刚度平台实现:

    • 将不同高度 hh 的基结构串联组合,可在力-位移曲线上呈现多个准零刚度平台。

    • 串联排列不改变各平台力值,但会增加整体变形位移、降低刚度。


二、可编程任意准零刚度载荷设计

  1. 串联与并联的独立调控机制:

    • 并联排列:仅影响准零刚度平台的力值大小,呈线性叠加

    • 串联排列:仅影响准零刚度区域的宽度,呈累积扩展。

    • 两者可独立或协同调节,实现载荷与宽度的解耦编程。

  2. 组装矩阵与编程策略:

    • 超材料组装形式可用矩阵表示,矩阵值代表各层直梁高度 hh。

    • 通过选择不同 hh 的组合与排列顺序,可实现 1∼Ns个准零刚度平台

    • 结构表现出可控的逐层塌陷路径,可作为多级变形器件。


三、带隙特性与振动隔离性能

  1. 单元数量与带隙关系:

    • 增加单元数量 NN 能显著增强带隙衰减率,提升隔振效果,但起止频率基本不变。

  2. 可编程结构拓展带隙宽度:

    • 与传统单一 hh 的超材料相比,不同 hh 串联的可编程结构能产生带隙耦合效应,进一步拓宽带隙宽度。

    • 例如组合 h=[3.5,4.5,5.5] mm能在保持带隙起止频率适中的同时,显著扩展隔振频带。

  3. 多负载适应性:

    • 施加负载时,结构带隙整体向低频移动,移动幅度与负载大小相关。

    • 对于具有多级平台的编程结构,不同负载可激发不同刚度阶段,实现宽频可调隔振。

  4. 与正刚度结构的对比:

    • 正刚度结构带隙几乎不随负载变化,而准零刚度结构在匹配负载时,刚度急剧下降,带隙显著向低频偏移,凸显其低频隔振优势。

  5. 材料阻尼的影响:

    • 增加材料阻尼可抑制共振峰,降低传递率,并可能使带隙起始频率向低频移动,进一步拓宽有效隔振频率范围。


四、核心机制与设计优势总结

  • 刚度可编程性根源:源于旋转直梁的几何变形机制,与材料无关,仅通过参数 hh、tt 调控。

  • 结构稳定性:旋转对称设计提供高面外稳定性,避免屈曲。

  • 功能集成:单一结构集成多级载荷平台、可调带隙、逐级变形等多种功能。

  • 应用潜力:为紧凑型、多负载、自适应的低频隔振系统提供了全新的设计范式。


五、研究局限与未来展望

  • 实验验证不足:文中未对带隙特性进行实验测试,主要依赖仿真与理论验证。

  • 未来方向:

    • 扩展至二维/三维多方向隔振结构;

    • 结合气动/液压驱动实现带隙实时调控;

    • 开发机器学习辅助设计与自适应控制系统。

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