[发明专利]具有任意曲边的五模材料结构

说明书

本发明涉及一种具有任意曲边的五模材料结构，由单胞结构周期性排列组成；每个单胞结构由两个节点结构、一个双锥结构和四个单锥结构构成；节点结构为一个圆形实体；一个双锥结构和四个单锥结构的六个锥形顶点相交于一点，该点为节点结构的圆心；双锥结构由两个单锥结构组成；每三个单锥结构关于一个节点结构圆心旋转对称，单锥结构之间的旋转角为120°；两个节点之间通过两个单锥结构组成的一个双锥结构连接；单锥结构具有一条直边和两条曲边；每个单胞结构沿水平方向复制，并沿竖直方向交错复制方式设置。本发明具有良好的五模特性，不仅具有剪切波抑制而压缩波传播的单模传输区域，并且具有声子禁带，能够在禁带频率范围内阻止所有声波的传播。

技术领域

本发明属于五模材料声波调控领域，尤其涉及一种具有任意曲边的五模材料结构。

背景技术

Milton和Cherkaev在1995年提出由16个双锥单元组成了一个周期单元的五模式超材料结构，理想的五模材料结构的剪切模量为零，从而解除了固体压缩变形和剪切变形之间的耦合，使五模材料不易被压缩而易“流动”。

一般的弹性介质的弹性性质可以用一个四阶弹性张量表示，或者用一个六阶弹性矩阵描述。对于一般材料，其对应的弹性矩阵的六个特征值为非零值。若这六个特征值中的某一个特征值变为零，那此时就对应一个特殊的应变模式，在这种应变模式下应变状态不会引起应力，介质材料如同流体一样能在无外载荷的情况下按照这种应变持续变形。一般常见的弹性材料的弹性矩阵正定，没有零特征值，称为“零模材料”；若弹性矩阵只有一个特征值为零的材料称为“单模材料”，类似相应的有“二模材料”、“三模材料”等。“五模材料”为弹性矩阵有五个零特征值的材料。对于实际设计的五模材料的五模特性可用五模品质因数(FOM＝B/G)来表征，品质因素越大，表示体积模量B比剪切模量G大得越多，压缩波和剪切波之间越难以耦合。当五模品质因数FOM10³时，所设计的五模材料结构具有较好五模特性，与理想五模材料一样能对声波进行调控。

目前，五模材料结构的单胞构型多为六边形排列构型，仅具有单模传输区域，且锥形结构之间为点接触，结构的稳定性较差。因此，需要设计新的五模材料结构单胞，以提高结构的稳定性和声波调控能力。

发明内容

本发明鉴于以上的技术问题，提出了一种具有任意曲边的五模材料结构，实现更好的声波调控能力及结构稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种具有任意曲边的五模材料结构，由单胞结构周期性排列组成，每个单胞结构由两个节点结构以及一个双锥和四个单锥结构构成；节点结构为圆形；六个锥形顶点相交于一点，为节点结构的圆心；双锥结构可看成由两个单锥结构组成；每三个单锥结构关于一个节点结构圆心旋转对称，单锥结构之间的旋转角为120°；单锥结构具有一条直边和两条曲边，形成封闭三边形；两曲边为任意曲边且为轴对称；两个节点之间通过两个单锥结构组成的一个双锥结构连接，从而在水平方向上延伸形成一个连续的单元层；多个单元层在垂直方向通过单锥结构的直边相互连接；每个单胞结构沿水平方向复制，并沿竖直方向交错复制方式设置。

具体的各单胞结构由两个节点结构以及一个双锥和四个单锥结构构成，其中双锥结构可看成由两个单锥结构组成；节点结构为圆形；单锥结构有一条直边和两条曲边形成封闭三边形；多个单胞结构在水平方向上通过两个单锥结构组成一个双锥结构连接，从而在水平方向上延伸形成一个连续的单元层；多个单元层在垂直方向通过单锥结构的直边相互连接。

上述方案中，所述曲边形状为椭圆弧、正弦函数曲线或幂函数曲线中的一段提取线。

上述方案中，所述曲边形状为椭圆弧的一种提取线，该提取线取一段平滑椭圆弧曲线并做轴对称得到曲边，该曲边两端与连接的竖直边的夹角小于90度。

上述方案中，所述曲边形状为正弦函数提取线，设定周期的正弦曲线轴对称后形成曲边，并且曲边两端与连接的竖直边夹角小于90度。