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介紹
研究機器振動行為對診斷故障和找出隔離技術至關重要。
多孔材料 (PM) 被認為是控制振動和減輕影響的良好選擇。
PM 由三維空間中随機分布的封閉形狀的細胞組成，類似于自然界中的松質骨、珊瑚和海綿。
人造的金屬泡沫也可用作 PM。實驗和有限元分析對 PM 的機械性能和振動行為進行了測試。發現封閉泡沫單元在各個方向上具有有限的阻尼能力和強度。
由于單胞的随機分布，很難設計和控制粉末冶金的性能。是以，研究人員正在開發複雜的設計來預測性能。
表中總結了近年來與機械超材料隔振和控制相關的重要文獻。這些研究包括對 PM、PCS 和 LCS 的調查，并在乘客座椅、起落架和隔振器等多個應用中進行了實驗和數值方法研究。
展望未來，我們需要進一步深入探讨和研究，以獲得關于機械超材料隔振的更廣闊視野。
研究人員開發了以周期性細胞結構 (PCS) 或晶格細胞結構 (LCS) 建構的機械超材料，以增強其振動特性。
PCS可設計為體心立方(BCC)和面心立方(FCC)晶胞。振動波在超材料中傳播時，由于拓撲和幾何形狀的影響，振動波被衰減，振幅減小。
研究人員使用3D列印技術研究了PCS的性能。研究指出，相對實心密度的支柱，實心密度印刷産生的支柱具有更大的橫截面積和重量，但也存在一些空腔。
列印方向也對振動特性産生影響。此外，LCS可以用于減弱振動。适當的設計可控制超材料的剛度和阻尼特性，以實作所需的振動緩解效果。
有限元分析可用于研究LCS的性能和預測固有頻率。總之，這些研究為機械超材料的隔振提供了新的視角。
超材料可以使用傳統或增材制造方法制造。
傳統方法需要高技能勞動力和更多原材料，而增材制造法可以在短時間内制造複雜結構并節省材料。
不同的增材制造技術包括FDM、SLM、SLS和SLA等。目前研究涵蓋了超材料的模組化、機械性能和振動方法，并強調了超材料相對于多孔材料的優勢。
研究人員建議進一步研究以填補文獻中的空白和差距。
一、振動隔離與控制理論
激振力通常表示為F(t) = F0*sin(ωt)，其中F0是激勵力的振幅，ω是激勵的頻率。
當頻率比r > √2時，隔振效果好。阻尼對隔振效果有影響，阻尼越小，隔振效果越好。為了控制機器振動，需要考慮固有頻率和阻尼比這兩個參數。
固有頻率ωn表示無阻尼系統的自然頻率，以赫茲為機關。阻尼固有頻率ωd是阻尼系統的自然頻率。
阻尼比(ζ)是衡量振蕩系統緩沖能力的無機關度量。阻尼導緻能量耗散，避免系統過度振蕩，使系統進入穩定模式。
ζ為0表示無阻尼，ζ<1為欠阻尼，ζ=1為臨界阻尼，ζ>1為過阻尼。高阻尼比表示振蕩迅速衰減。頻率比可用于檢查隔振器工作狀态(r > √2.32)。
傳遞率是評估隔振系統效果的重要因素，指傳遞到基礎的力或運動減少程度。最小傳遞率表示良好隔離器，少量力或運動被傳遞。
研究已關注利用LCS、泡沫材料和其他結構來模組化和控制振動系統，包括兩級隔離組成的裝置-隔離器系統。
二、用作振動隔離和控制的多孔材料
多孔材料
PM（泡沫金屬）可類似于叉子形狀在自然界中找到，可通過鋼泡沫等複雜技術或3D列印來制造，常用于生物醫學工程。圖2展示了泡沫鋁作為多孔材料的例子。
多孔材料模組化
阿爾廷塔斯43使用圖像處理技術進行有限元分析，以建立接近真實骨形狀的多孔骨模型。
通過Micro-CT掃描收集了骨的橫截面圖像，建構了精确的3D多孔骨幾何特征。在Abaqus軟體中建立并研究了整個模型進行振動分析。
将多孔模型的結果與均勻模型進行對比，展示了模式值的數值差異和多孔模型中的獨特模式。
此外，Sahmani等人44通過研究納米多孔生物材料的力學性質和動力學行為，發現納米級孔徑的多孔生物材料有助于提高材料的隔離能力。
研究應用截斷立方體胞元模型和非局部應變梯度梁模型，預測了非線性振動的尺寸相關效應和響應。提出了精确的雙曲光束管理方程式。
多孔材料的機械性能
研究了不同材料組合對機械性能的影響，并通過加熱處理和聚碳酸酯屏蔽來改善性能。
結果表明，增加加熱時間可提高力學性能，聚碳酸酯屏蔽層可提高拉伸和壓縮強度。該研究對于在追求高機械性能和輕質化設計時非常有用。
沙赫威爾第和巴拉蒂46建立了基于非局部應變梯度理論的模型，用于分析彈性基底上梯度材料制成的納米多孔闆的振動行為。
考慮了溫度和濕度這兩個附加參數，以模拟納米闆作為納米傳感器的實際動态行為。
采用新的幂函數表示納米多孔闆材料成分的梯度，并使用Hamilton理論建立了彈性場控制方程。通過伽遼金法求解控制方程，獲得了固有頻率方程式。
多孔材料的振動分析
對客車座椅的泡沫鋁腿進行了振動試驗分析，測量了座位的振動和乘客的舒适度。
結果表明，多孔腿比原腿具有更好的減振能力和舒适性。陰與光5對複合泡沫鋁和聚合物進行了振動激勵實驗，施加可變壓力，并研究了動态剛度和損耗因子。
圖中展示了不同的振動加載設定，包括垂直載荷、扭轉、剪切、牽引-壓縮、點力和線載荷。這些研究為多孔材料在振動分析和應用中的優勢提供了實驗和理論支援。
超材料模組化
LCS的設計可以使用CAD軟體如SolidWorks和AutoCAD來實作，因為LCS通常具有複雜的形狀。
同時，可以使用傳統方法或3D列印來建構LCS。Al Rifaie等人49使用SolidWorks進行模組化，研究了LCS的機械特性。
超材料的力學特性
超材料由于其适當的剛度和阻尼特性，可以實作振動衰減。
Sahmani等人18使用實驗方法探索了納米梁在振動下的行為，并通過無量綱最大振幅評估頻率比的差異。
機械性能，如結構的剛度，可以通過計算、實驗或分析方法來确定自然頻率。
在解析方法中，單胞連杆的自由度對于建構整個結構的剛度矩陣至關重要。通過實驗和有限元分析驗證了LCS的機械性能。
在該研究中，采用3D列印的結合正弦梁和半圓拱的結構進行了實驗和理論分析，并研究了其隔振性能。
三、振動帶隙中的超材料研究
模拟1D波
在該研究中，馬特拉克等人69通過排列成方向陣列的晶胞建構了一個模型。
他們利用COMSOL軟體進行了有限元分析研究，對1D模型的波傳播進行了實驗和分析。
通過一維排列晶胞，研究了通過該結構的波傳播及其帶隙頻率。同時，引入了與本地諧振器結合的1D周期棒，可以在沿其傳播的縱波中産生極低頻帶隙。
70該棒由剛性架構和橡膠組成，其中局部共振腔稱為高靜低動剛度共振腔，基于幾何非線性的負剛度機制。
使用諧波平衡法分析了縱波在1D周期棒中的色散，揭示了諧振腔的阻尼和非線性的影響。結果顯示，阻尼會影響帶隙的寬度和深度，而非線性僅影響中心頻率和帶隙深度。
此外，通過在一個單元中使用多個負剛度諧振器，可為梁中的彎曲波提供多個低頻帶隙。
每個負剛度諧振器由與品質連接配接的垂直彈簧和兩個傾斜彈簧組成，可以控制剛度并将其降低到所需值。
71基于平面波展開法對梁中的彎曲波的帶隙進行了分析，并進行了計算驗證。研究結果表明，在機關單元中使用多個負剛度諧振器可以擴大低頻範圍的帶隙。
模組化3D帶隙
通過三維模型研究了金屬闆上三個方向的振動帶隙，該金屬闆由周期性重複的機關單元構成。
使用3D列印制造品質-彈簧系統形狀來減少振動，并使用COMSOL Multiphysics進行有限元分析模組化，并進行實驗驗證。
他們在錨點施加外部振動，并測量中心的響應，以預測振動隔離效果。
由ABS制成的懸臂梁中的振動衰減，該懸臂梁由周期性重複的單胞制成，但具有不同的圖案。樣品塗有PVDF薄膜，用于轉化動能為電能，以研究振動隔離和能量收集效果。
超材料的帶隙特性
姚等人使用光譜元素法(SEM)研究了3D列印金屬模闆樣品的帶隙特性，結果顯示該方法可以成功用于研究LCS和複合材料結構的振動帶隙衰減。
研究還考察了在2D晶格中添加缺陷和其他因素對波傳播和隔振性能的影響。巴拉維裡和魯澤内研究了手征晶胞的帶隙特性，采用實驗和有限元方法預測振動帶隙的性質。
Zouari等人使用有限元法研究了金屬闆的吸收和隔離彈性彎曲振動波的能力。哈伊侯賽尼提出了一種解析方法來研究周期LCS振動帶隙，其中應用了微分求積法(DQM)。
梁等人開發了一種微分求積法來求解周期結構彈性帶隙。該方法相對于有限元和平面波展開法，在較短時間内獲得了精确的結果。
四、超材料相對于多孔材料的優勢
超材料的應用
3D列印的Kagome lattice由尼龍PA6制成，與聚氨酯粘彈性材料結合，形成具有高剛度和競争性振動特性的超材料。
這種複合材料适用于航空航天應用，尤其在制造飛機機翼方面具有潛力。相比于沒有粘彈性材料的Kagome晶格和僅由尼龍制成的結構，它可以顯著減小振動幅度。
該研究介紹了一種由鋁和環氧樹脂制成的兩相複合超材料，其中插入了星形纖維來建構渦輪葉片。
在實驗中使用剪切動态試驗台和動态力學分析儀進行了測試，并使用有限元法計算了振動參數。
在地震應用中，建議使用大規模超材料來遠端減輕地震波的影響。
通過在需要保護的區域周圍建立超材料屏障，采用不同類型的單元，如交叉空腔單元、中空圓柱單元和圓柱單元，來建立周期性的方形陣列以防止地震。
這些超材料的特性在地震波的頻率範圍内有效工作。
超材料作為隔振器的未來
随着增材制造技術的發展，越來越多的超材料被用于隔振器系統的開發，尤其是在振動隔離和控制領域。
許多研究探索了超材料在這些領域的應用，包括形狀記憶聚合物、傳感器、驅動器等。
此外，超材料還被用來預測和測量地震波。該領域的研究對于未來地震波的振動衰減具有潛在意義。
超材料的其他方面
陳等人提出了一種基于熱壓成型方法制造的三維雙箭頭(DAH)拉脹超材料，采用碳纖維增強聚合物(CFRP)材料。
設計了六種不同角度的DAH超材料，并通過靜态和動态實驗測試獲得了阻尼性能。
通過函數拟合和半帶法計算了切向損失因子和能量耗散，發現3D DAH超材料具有高阻尼能力、較高的抗壓強度和輕量化的特點。
其中，(15，30)和(45，60)構型表現出最佳的阻尼性能。
太陽等人提出了一種薄膜聲學超材料作為振動結構的阻尼機制，用于降低鋼闆等結構的振動幅度。
該超材料由兩層塑膠架構、一層橡膠膜和一組金屬片組成，通過銷釘和孔連接配接固定。塑膠架構包括70個格栅，分布在80 mm的寬度上，分布在192 mm的長度上，厚度為7 mm。
此外，還有24個半圓形鐵闆，分布在聚合物架構的中心。制造了四個超材料樣品，并放置在主體結構的上、下、右、左位置。
一項實驗工作比較了未添加任何材料的鋼闆、添加了膜聲學超材料的鋼闆和商業橡膠闆的振動行為。
結果顯示，膜聲學超材料在100至1200 Hz頻率範圍内顯著降低了自由闆的振幅，整體減少了24.7 dB。
與商業橡膠闆相比，超材料在低頻(100-500 Hz)和高頻(500-1200 Hz)範圍内具有更好的阻尼性能。此外，超材料相對較輕的重量使其成為航空航天應用的首選。
另一項研究中，何等人提出了一種新的疊層聲學超材料設計，由兩個碳纖維增強聚合物制成的平行層壓闆和一組周期性分布的品質彈簧元件組成。
這種新型超材料在抑制振動方面優于傳統材料，并具有更寬的帶隙。實驗結果表明，它被成功應用于車門制造，顯著降低了車門的振動。
本文綜述了超材料和多孔結構，在其中重點介紹了超材料在振動隔離和控制方面的應用。
超材料被廣泛用于各種機械振動系統和結構中，提供獨特的減振能力。
研究表明，超材料具有強大的減振性能，是以在振動控制領域具有重要的應用前景。
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