一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料

1.本发明涉及超材料设计领域。具体而言，尤其涉及一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料。

背景技术：

2.高超声速飞行器的尾喷管是高超飞行器一体化的重要部分，是体现气动/推进系统耦合的重要部件，同时，也是重要的气动型面，其性能好坏影响整个飞行器的飞行品质。超燃冲压发动机喷气噪声包括混合喷气噪声及激波宽频噪声，声压级可达到150～160db，喷流噪声会引起排气道环形声衬开裂、声振疲劳破坏等，因此，如何降低尾喷管的振动与噪声至关重要。对于高超声速飞行器，速度可达5马赫数以上，伴随着高热流的产生，高温环境使得材料的结构性能大大降低。超燃冲压发动机的射流在尾喷管处可产生高达106w/m2的高热流，温度甚至可达3000k以上，高温环境使得材料的结构性能大大降低，这对飞行器的材料和结构性能产生非常大的影响。因此，如何实现尾喷管处的热控至关重要。
3.机械超材料是人工超构材料研究领域的新兴分支，由传统材料制成，可实现新奇的超常规机械/力学特性。研究表明，由周期性分布的具有特殊微结构的单胞所组成的超材料，是一种典型的散介质，其能带图上无本征波散曲线的频率范围称为带隙，带隙内的弹性波或声波无法在介质中传播，从而可用于高效的振动和噪声隔断。通过调节人工周期结构的几何/材料参数，可以实现调控带隙位置、宽度及其对波传播的抑制能力。
4.目前，应用于振动控制方面的声学超材料专利很多，但其减振降噪的谐振频段往往与材料密度或模量，以及使用温度范围有很大的相关性，一般无法应用于高温环境。然而，高超声速飞行器尾喷管的物理场十分复杂，由于轻量化和安装空间的限制，往往需要超材料既能够减振降噪，又能够同时隔热，同时尺寸又不能太大，并且轻质。
5.综合分析发现，在有限空间实现减振隔热一体化方面，现有的声学超材料在高温环境其减振降噪特性受到很大影响，另外高温环境对结构的安全与性能也存在很大的威胁。因此，可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料设计尤为重要。另外，随着增材制造技术的发展，可以实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料的制造。

技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，通过将均匀材料加工成特定厚度层进行堆叠，堆叠顺序按照表层、分离层、第一谐振层、连接层、第二谐振层、分离层、表层依次排列，获得可实现减振隔热一体化，并且适合大规模制造和尺寸灵活可调的双谐振分层超材料。为保证减振隔热过程中结构的稳定性和有效性，本发明的各层经过了谨慎设计以获得具有符合一体化要求拓扑构型；
7.本发明采用的技术手段如下：
8.一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，包括第一表层、第一分离层、第一谐振层、连接层、第二谐振层、第二分离层、第二表层。为了实现减振和隔热效应，各组层
具有其特定的材料特性、厚度和单胞的设计/拓扑构型。
9.所述的第一表层、第一分离层、第一谐振层、连接层、第二谐振层、第二分离层、第二表层依次相连。
10.所述的第一表层与第二表层是均匀的固体覆盖板，采用耐高温材料，用于支撑各组层的堆叠和对结构的保护。
11.所述的第一分离层、第二分离层由多个正方体和长方体相间组成方格。
12.所述的第一谐振层、第二谐振层由多个同心阿基米德螺旋线组成的螺旋孔洞排列在薄板上形成局部谐振单元；
13.所述的连接层连接第一谐振层与第二谐振层，由多个正方体和长方体相间组成方格，正方体位于方格边的中间。
14.所述的第一分离层、第二分离层中的正方体的高度大于长方体的高度，用于实现热量的阻隔和为谐振层提供足够的振动空间，表层受到的荷载通过正方体传递到谐振层。
15.所述分离层中的正方体位于矩形区域的四个顶点，长方体位于两个正方体之间。
16.所述第一谐振层与第二谐振层的构型设计不同，实现对不同谐振频率的波的过滤，降低表层结构的应力水平，防止声疲劳。
17.所述第一谐振层与第二谐振层采用薄板上布置四个同心阿基米德螺旋孔组成的孔洞。
18.所述四个同心螺旋孔相互呈90
°
旋转角。
19.所述阿基米德螺旋线的极坐标的表达方式为：
[0020][0021]
式中，r为内径，r为外径，n为匝数，s∈(0,1)。
[0022]
所述第一谐振层与第二谐振层的谐振频率的不同通过r、r和n来控制。
[0023]
所述连接层必须堆叠在第一谐振层与第二谐振层之间，连接层在双谐振分层超材料中的存在是实现两个谐振层耦合共振效应的关键。
[0024]
所述连接层的材质应选用线弹性材料、弹塑性材料或超弹性材料等更软的材料。
[0025]
所述第一分离层、第二分离层和连接层的组成单元一致，但正方体的分布位置不同，第一分离层、第二分离层的正方体分别位于方格顶点和方格边中点，实现热量在竖直方向上的错位传递。
[0026]
所述各层之间空隙不限于填充阻尼材料与否。
[0027]
本发明能够根据具体减振隔热空间的大小和形状需求，快速构建不同谐振层数、不同大小的局部谐振单元的超材料，操作方便易于制造，且在各层厚度方向灵活可调，工程实用性强。
[0028]
本发明所述减振隔热一体化体现在：通过将双谐振超材料安装在需要承载高温高声压的位置，当高温和高噪声同时激励超材料表层时，分离层和连接层隔离热量，同时带动谐振层振动，实现噪声的吸收和捕获，从而实现本发明的减振隔热一体化；
[0029]
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
[0030]
1)本发明可整体厚度较小的情况下实现隔振；
[0031]
2)本发明可整体厚度较小的情况下实现隔热；
[0032]
3)本发明各层结构简单，谐振层为平面穿孔板，可以采用各种切割制造工艺，分离层和连接层可采用用铣削加工，均可通过成熟的技术大批量轻松制造，而且增材制造技术的发展使得各层易于加工制备。基于上述理由，本发明可在超材料设计等领域广泛推广。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1为本发明的具体实施方式中一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料的正方形单胞示意图。
[0035]
图2为本发明的具体实施方式中一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料的表层示意图。
[0036]
图3为本发明的具体实施方式中一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料的分离层示意图。
[0037]
图4为本发明的具体实施方式中一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料的第一谐振层示意图。
[0038]
图5为本发明的具体实施方式中一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料的连接层示意图。
[0039]
图6为本发明的具体实施方式中一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料的第二谐振层示意图。
[0040]
图7为本发明的具体实施方式中一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料的正方形单胞阵列示意图。
[0041]
图8为本发明的具体实施方式中设计模型与相同体积的实心方形板隔声效果对比结果。
[0042]
图9为本发明的具体实施方式中设计模型与相同体积的实心方形板隔热效果对比结果。
[0043]
图中：1第一表层；2第一分离层；3第一谐振层；4连接层；5第二谐振层；6第二分离层；7第二表层。
具体实施方式
[0044]
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
[0045]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或
描述的那些以外的顺序实施。
[0046]
如图1所示，一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，包括表层1和7、分离层2和6、第一谐振层3、连接层4、第二谐振层5。
[0047]
如图2所示，表层是均匀的板材，应选用耐高温材料。
[0048]
如图3所示，分离层由正方体和长方体相间组成方格，分离层与表层和谐振层均通过正方体接触，方格的边长为l，正方体的边长为w，厚度为h1，位于方格4个顶点；长方体的宽度为b，长方体的长度为l-2w，厚度为h2(h2＜h1)，位于2个正方体中间；组成方格的正方体和长方体的中心线齐平；
[0049]
所述正方块的边长w，厚度h1、长方块的宽度b和厚度h1的尺寸根据目标灵活调节。
[0050]
所述分离层的材质应选用耐高温且比较硬的材料；
[0051]
如图4和图6所示，第一谐振层和第二谐振层均是将一组由四个同心阿基米德螺旋孔组成的孔洞拓扑应用在每个基体板上，四个同心螺旋孔相互呈90
°
旋转角，相邻的每组螺旋孔谐振单元以阵列的方式排列，以此来构造螺旋式局部共振声学超材料；其阿基米德螺旋线的极坐标的表达方式为：
[0052][0053]
式中，r为内径，r为外径，n为匝数，s∈(0,1)，谐振频率的不同通过r、r和n来控制。
[0054]
如图5所示，连接层由正方体和长方体相间组成方格，第一谐振层与第二谐振层均通过正方体接触；方格的边长为l，正方体的边长为w，厚度为h1，位于方格每条边的中间；长方体的宽度为b，长方体的长度为(l-w)/2，厚度为h2(h2＜h1)，位于正方体两侧；组成方格的正方体和长方体的中心线齐平；
[0055]
所述正方块的边长w，厚度h1、长方块的宽度b和厚度h1的尺寸根据目标灵活调节。
[0056]
所述连接层的材质应选用线弹性材料、弹塑性材料或超弹性材料等更软的材料。
[0057]
所述各层单胞尺寸l均需一致。
[0058]
所述各层厚度根据目标灵活调节；
[0059]
所述各层之间空隙不限于填充阻尼材料与否。
[0060]
图8所示为本发明的具体实施方式中设计模型与相同体积的实心矩形板隔声效果对比结果。二者的材料均选择耐高温陶瓷材料(氧化锆)。设计模型各层厚度为：表层1mm、分离层2mm、第一谐振层1mm、连接层2mm、第二谐振层1mm、分离层2mm、表层1mm，总厚度10mm。各层单胞尺寸l＝40mm，其中w＝2mm，h2＝0.5*h1＝1mm。第一谐振层阿基米德螺旋线r＝10mm，r＝20mm，n＝0.5，w1＝0.9mm，w0＝3.9mm。第二谐振层阿基米德螺旋线r＝5mm，r＝20mm，n＝1，w1＝0.9mm，w0＝2.6mm。两种模型的入射声压均为1pa。对比结果表明：设计模型隔声量在460hz时峰值为25db，在950hz时峰值为24db，而实心方形板模型整体隔声量均低于设计模型，因此设计模型具有优异的隔声效果。
[0061]
图9所示为本发明的具体实施方式中设计模型与相同体积的实心矩形板隔热效果对比结果。二者的材料均选择耐高温陶瓷材料(氧化锆)。两种模型的外表面温度为1200摄氏度。对比结果表明：设计模型内面在1000秒时峰值温度为180.10摄氏度，而实心方形板模型内面在7s左右时已经突破800摄氏度，因此设计模型具有优异的隔热效果。
[0062]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽
管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，其特征在于：包括第一表层(1)、第一分离层(2)、第一谐振层(3)、连接层(4)、第二谐振层(5)、第二分离层(6)、第二表层(7)；所述的第一表层(1)、第一分离层(2)、第一谐振层(3)、连接层(4)、第二谐振层(5)、第二分离层(6)、第二表层(7)依次相连；所述的第一表层(1)与第二表层(7)是均匀的固体覆盖板，采用耐高温材料，用于支撑各组层的堆叠和对结构的保护；所述的第一分离层(2)、第二分离层(6)由多个正方体和长方体相间组成方格；所述的第一谐振层(3)、第二谐振层(5)由多个同心阿基米德螺旋线组成的螺旋孔洞排列在薄板上形成局部谐振单元；所述的连接层(4)连接第一谐振层(3)与第二谐振层(5)，由多个正方体和长方体相间组成方格，正方体位于方格边的中间；所述的第一分离层(2)、第二分离层(6)中的正方体的高度大于长方体的高度，用于实现热量的阻隔和为谐振层提供足够的振动空间，表层受到的荷载通过正方体传递到谐振层。2.根据权利要求书1所述的一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，其特征在于：所述的第一分离层(2)和第二分离层(6)中的正方体位于矩形区域的四个顶点，长方体位于两个正方体之间。3.根据权利要求书1或2所述的一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，其特征在于：所述的第一谐振层(3)、第二谐振层(5)的构型设计不同，实现对不同谐振频率的波的过滤，降低表层结构的应力水平，防止声疲劳，通过r、r和n来控制谐振频率。4.根据权利要求书1或2所述的一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，其特征在于：所述的第一谐振层(3)、第二谐振层(5)是薄板上布置四个同心阿基米德螺旋孔组成的孔洞。5.根据权利要求书4所述的一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，其特征在于：所述的四个同心阿基米德螺旋孔相互呈90
°
旋转角。6.根据权利要求书1或2所述的一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，其特征在于：所述的阿基米德螺旋线的极坐标的表达方式为：式中，r为内径，r为外径，n为匝数，s∈(0,1)。7.根据权利要求书1或2所述的一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，其特征在于：所述的连接层(4)由正方体和长方体相间组成方格，正方体位于方格边的中间。8.根据权利要求书1或2所述的一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，其特征在于：所述的第一分离层(2)、第二分离层(6)和连接层(4)的组成单元一致，但正方体的分布位置不同，第一分离层(2)、第二分离层(6)的正方体分别位于方格顶点和方格边中点，实现热量在竖直方向上的错位传递。9.根据权利要求书6所述的一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，其特征
在于：所述的第一分离层(2)、第二分离层(6)和连接层(4)的组成单元一致，但正方体的分布位置不同，第一分离层(2)、第二分离层(6)的正方体分别位于方格顶点和方格边中点，实现热量在竖直方向上的错位传递。10.根据权利要求书1或2所述的一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，其特征在于：所述双谐振分层超材料的各层之间空隙填充阻尼材料。

技术总结

本发明公开了一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，包括表层、分离层、第一谐振层、连接层、第二谐振层、分离层、表层。表层是均匀的固体覆盖板；分离层与表层和谐振层相邻，由正方体和长方体相间组成方格；谐振层由多个同心阿基米德螺旋线组成的螺旋孔洞排列在薄板上形成局部谐振单元，第一谐振层与第二谐振层的谐振频率不同；连接层连接第一谐振层与第二谐振层，由正方体和长方体相间组成方格。本发明能够根据具体空间的大小和形状需求，快速构建可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，根据需求实现不同程度的减振隔热，操作方便易于实现，工程实用性强。工程实用性强。工程实用性强。