2024【研究】准零刚度超材料与可编程多稳态用于多场景应用

全文速览

一、研究背景

• 工程需求：振动隔离在航空航天、土木工程、精密制造等领域至关重要，传统线性隔振器在低频振动隔离中存在静态承载能力与动态隔离效率之间的权衡问题。

• 技术现状：准零刚度结构具有高静态-低动态刚度特性，适用于低频振动隔离，但现有设计多为固定结构，缺乏在有限空间内适应多场景的能力。

• 研究缺口：现有多稳态超材料（如折纸结构、堆叠曲梁）在准零刚度行为定制化（如力水平、区间长度）方面控制有限，难以实现可编程、可调谐的振动隔离。

二、研究方法

1. 结构设计：

• 提出一种基于接触块的超材料单元，将参数化接触块嵌入经典弯曲梁型单元中。

• 通过接触块设计实现准零刚度行为与多稳态的集成。

2. 数据驱动的逆设计框架：

• 使用参数化接触块模型，通过全因子采样生成数据集。

• 基于有限元模拟构建包含6720条应力-应变曲线的数据集。

• 训练极端随机树模型预测机械行为，结合差分进化算法进行逆设计优化。

3. 实验验证：

• 采用双材料3D打印（PLA刚性件 + TPU弹性梁）制造样品。

• 通过动态测试平台（激振器、加速度计）验证振动隔离性能。

• 测试不同载荷、频率、准零刚度区间长度下的隔振效果。

4. 阵列策略：

• 提出面内阵列策略（调节力水平）和多层阵列策略（调节区间长度），实现分级准零刚度行为。

三、研究意义

• 工程应用价值：为多场景振动隔离提供了一种可编程、可重构的解决方案，适用于电池保护外壳、机器人关节、航天器微振动控制等领域。

• 方法学贡献：建立了数据驱动+逆设计的超材料设计范式，为定制化机械超材料提供了新方法。

• 理论拓展：揭示了非对称刚度行为对振动响应的影响机制，为非线性隔振系统设计提供了理论支持。

四、创新点

1. 结构创新：

• 首次将接触块设计与多稳态曲梁单元结合，实现准零刚度与多稳态的集成设计。

2. 设计方法创新：

• 提出数据驱动+逆设计框架，实现对准零刚度力水平与区间长度的精准定制。

3. 功能创新：

• 通过面内与多层阵列策略，实现分级准零刚度行为，适应不同载荷条件。

4. 可编程性与适应性：

• 利用多稳态切换机制，使超材料可在有限空间内预配置不同振动隔离状态，提升系统适应性。

5. 实验验证全面性：

• 结合数值模拟、动态分析与实验测试，系统验证了设计方法的可行性与隔振性能。

一、准零刚度力水平对隔振性能的影响

• 负载匹配时性能最佳：当负载质量与设计的目标准零刚度力水平匹配时，系统表现出显著的隔振效果，特别是在 >10 Hz 的频率范围内。

• 负载不匹配时性能下降：

• 负载过轻：隔振效果不明显，系统在共振频率附近（约20 Hz）隔振性能下降。

• 负载过重：系统刚度主导，隔振能力下降，仅在较高频率（30–60 Hz）保留部分隔振能力。

• 极端超载或处于第二稳态：系统近似刚体，几乎无隔振效果。

二、准零刚度区间长度对隔振性能的影响

• 区间长度足够大：若振动幅值完全处于准零刚度区间内，系统表现出优异的隔振性能。

• 区间长度不足：振动幅值超出准零刚度区间时，系统呈现非对称刚度特性，导致：

• 上振幅减小，下振幅增大；

• 整体隔振性能下降；

• 信号稳定性降低。

• 调整振动幅值：通过降低激振电压，使振动幅值重回准零刚度区间，可恢复良好隔振效果。

三、非对称刚度行为的实验验证

• 理论预测的非对称刚度抑制上振幅效应，在实验中不如理论显著，可能由于接触不完全导致。

• 实验与数值模拟结果整体吻合良好，验证了设计的有效性。

四、面内与多层阵列策略实现分层准零刚度

• 面内阵列策略：

• 通过选择不同稳态单元组合，可快速调节整体准零刚度力水平（如8 N、12 N、20 N）。

• 多层阵列策略：

• 通过层叠设计，可扩展准零刚度区间长度（如从6 mm扩展至12 mm），同时保持力水平不变。

• 可编程多稳态切换：

• 在不同负载条件下，通过激活不同层或单元状态，实现紧凑状态存储与工作状态切换，提升空间适应性与系统稳定性。

五、讨论总结

• 该超材料在目标负载下，于 10–60 Hz 频率范围内表现出优异的隔振性能。

• 非对称刚度行为虽降低隔振性能，但可通过设计控制振动幅值来规避。

• 可编程多稳态 + 阵列策略使系统具备：

• 多负载适应能力；

• 紧凑存储与快速重构能力；

• 分级隔振功能。

六、未来展望

• 该设计可扩展至三维结构，实现多方向隔振；

• 适用于电池防护外壳、机器人自适应关节等多场景工程应用。