一種周期腔體型低頻寬帶隙隔振器及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于隔振器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種周期腔體型低頻寬帶隙隔振器及制 備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超精密運動平臺是大規(guī)模集成電路制造、精微加工、精密測量等納米制造裝備的 核心部件，其微振動具有振幅?。◣准{米到幾十納米）、頻帶寬（數(shù)赫茲至數(shù)萬赫茲）、頻率 低等特點，這類微振動的抑制是當前國際振動研究前沿的熱點難點問題。為了抑制此類微 振動，用于振動傳遞抑制的減振結(jié)構(gòu)，其工作頻帶需要有低頻和寬頻的特性。
[0003] 周期性結(jié)構(gòu)對某些頻率波段的振動和波的傳播具有屏蔽或抑制作用，這些頻率波 段稱為禁帶或帶隙，因此周期性結(jié)構(gòu)可以用于對帶隙頻率范圍內(nèi)的振動進行隔離或者衰 減。周期性結(jié)構(gòu)因為具有低頻和高頻帶隙，有望成為超精密運動平臺的減振結(jié)構(gòu)。然而，相 對超精密運動平臺微振動頻率，目前周期性結(jié)構(gòu)尺寸較大，最低頻率帶隙的頻率較高，帶寬 較窄，衰減效率低，承載力不足，無法滿足實際需求。因此如何獲得擁有低頻率、寬帶隙、可 調(diào)節(jié)、高振動衰減率等特征的頻率帶隙，并具有足夠承載能力的小型化周期性結(jié)構(gòu)，具有重 要的理論和實際工程意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)上的缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種周期腔體型低頻寬帶隙隔 振器及制備方法，隔振器由多個周期腔體型單元組成周期性結(jié)構(gòu)，腔體中彎曲剛體小的薄 板作為主體，彎曲剛體大的環(huán)腔散射體及連接塊散射體作為散射體，采用腔體結(jié)構(gòu)增大了 彎曲波傳播路徑，降低了帶隙頻率，同時又能使結(jié)構(gòu)保持較小尺寸。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面提出了一種周期腔體型低頻寬帶隙隔振 器，其特征在于，該隔振器包括兩個或兩個以上周期單元，每個周期單元包括兩個薄板主體 和一個環(huán)腔散射體，其中所述兩個薄板主體的外緣用所述環(huán)腔散射體相連以形成一腔體； 兩個所述周期單元之間用連接塊散射體相連。
[0006] 作為進一步優(yōu)選的，所述兩個薄板主體為直徑相同的圓形薄板，所述環(huán)腔散射體 為空心圓柱體，以此形成圓柱形腔體。
[0007] 作為進一步優(yōu)選的，所述兩個薄板主體為直徑不同的圓形薄板，所述環(huán)腔散射體 為空心圓臺，以此形成圓臺形腔體。
[0008] 作為進一步優(yōu)選的，所述兩個薄板主體為直徑相同的圓形薄板，所述環(huán)腔散射體 的母線為曲線，以此形成曲母線形腔體。
[0009] 作為進一步優(yōu)選的，所述兩個薄板主體為方形薄板，所述環(huán)腔散射體為空心方柱， 以此形成方形腔體。
[0010] 作為進一步優(yōu)選的，所述腔體為開放式，所述環(huán)腔散射體分成兩塊或多塊。
[0011] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種制備所述隔振器的方法，該方法包括如下步 驟：
[0012] (1)根據(jù)隔振器需達到的最低頻率帶隙的頻率選取薄板主體、環(huán)腔散射體和連接 塊散射體的材料；根據(jù)選取的材料制備薄板主體、環(huán)腔散射體和連接塊散射體，并確定它們 的幾何參數(shù)，然后組裝獲得隔振器；
[0013] (2)比較隔振器的最低有效帶隙所在的頻率與振動源頻率，調(diào)整薄板主體、環(huán)腔 散射體和連接塊散射體的材料和幾何參數(shù)，使得隔振器的最低有效帶隙頻率低于振動源頻 率；
[0014] (3)校核隔振器是否符合安全條件：如果符合，則制備完成；如果不符合，則增大 薄板主體的厚度，減小環(huán)腔散射體的內(nèi)半徑，并轉(zhuǎn)入步驟（4);
[0015] (4)重復步驟（2)~（3)，直至步驟（2)和（3)的要求都滿足，制備獲得周期腔體 型低頻寬帶隙隔振器。
[0016] 作為進一步優(yōu)選的，步驟（2)中所述薄板主體、環(huán)腔散射體和連接塊散射體的材 料和幾何參數(shù)采用如下方式進行調(diào)整：若隔振器的最低有效帶隙所在的頻率與振動源頻率 相差較大，則調(diào)節(jié)薄板主體的材料和幾何參數(shù)，直至使最低有效帶隙頻率低于振動源頻率； 若隔振器的最低有效帶隙所在的頻率與振動源頻率略有區(qū)別，則微調(diào)環(huán)腔散射體和連接塊 散射體的質(zhì)量，直至使最低有效帶隙頻率低于振動源頻率。
[0017] 作為進一步優(yōu)選的，所述安全條件具體為：
[0018] 〇nax< [0],ynax< [y];
[0019] 其中，σ _為最大應力，[σ ]為許用應力，y_為最大撓度，[y]為許用撓度。
[0020] 作為進一步優(yōu)選的，所述最大應力σ _采用如下公式計算獲得：
[0022] 其中，&為環(huán)腔散射體內(nèi)圓半徑，Qs為外力施加的載荷，μ為薄板主體材料的泊松 比，私為連接塊散射體的半徑，h為薄板主體厚度的一半；
[0023] 所述最大撓度y_采用如下公式計算獲得：
[0025] 其中，D = 2Eh3/3 (1- μ 2)為薄板主體的抗彎剛度，E為其材料的楊氏模量。
[0026] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的 技術(shù)優(yōu)點：
[0027] 1.本發(fā)明的隔振器采用周期性結(jié)構(gòu)，周期單元包括構(gòu)成腔體的薄板主體和環(huán)腔散 射體，周期單元之間通過連接塊散射體串聯(lián)而構(gòu)成周期性結(jié)構(gòu)，主體和散射體周期性交替 布置，能夠產(chǎn)生低頻、寬頻、高衰減率的帶隙；在薄板主體中，通過調(diào)節(jié)薄板主體的材料和幾 何參數(shù)，即可確定帶隙的頻率和寬度；連接塊散射體除了作為必要的連接元件，在振動控制 中還起到了集中質(zhì)量振子的作用，通過改變其質(zhì)量實現(xiàn)對帶隙頻率的調(diào)節(jié)，即通過改變其 材料和幾何參數(shù)，可以有效地調(diào)節(jié)帶隙的位置和寬度。
[0028] 2.本發(fā)明的隔振器主要利用周期性腔體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生布拉格散射帶隙，不僅可以有效 降低最低頻率帶隙的頻率，克服布拉格散射最低帶隙頻率相對較高，或帶隙頻率低但結(jié)構(gòu) 尺寸大的缺點，還具有較寬的帶隙，且達到了高振動衰減率的要求；同時避免了局域共振結(jié) 構(gòu)承載力小、帶隙帶寬太窄的問題。采用腔體結(jié)構(gòu)，增大了彎曲波的傳播路徑，降低了帶隙 頻率，相比于常見的長直型周期性結(jié)構(gòu)，保持了較小尺寸，實現(xiàn)了"小尺寸控制大波長"的目 的。
[0029] 3.本發(fā)明的隔振器應用于超精密運動平臺微振動的抑制，克服目前周期性結(jié)構(gòu)減 振器尺寸較大，最低頻率帶隙的頻率較高，帶寬較窄，衰減效率低等缺點，結(jié)構(gòu)簡單，制造方 便，成本低廉；其周期性減振單元通過剛?cè)峤徊娌贾玫闹黧w和散射體的共同作用，對振動產(chǎn) 生的彎曲波進行調(diào)制，達到振動的隔離和抑制，具有能在更低頻率段形成帶隙，并同時擁有 更寬的帶隙，尺寸相對更小，衰減效率更高的優(yōu)點。
[0030] 4.由于絕大多數(shù)的機械設備在使用隔振器的時候都要求隔振器有相應的承載能 力，一般承載能力強的材料因其剛度較大，難以到達低頻區(qū)域。而本發(fā)明的隔振器在保留相 當?shù)某休d能力的同時，可以在低頻區(qū)域形成大范圍密集連續(xù)的帶隙，并有很好的衰減效率。 從工作頻率及承載能力方面來看，本發(fā)明的隔振器能更好地適應復雜的環(huán)境，具有廣泛的 工程應用前景。
【附圖說明】
[0031] 圖1為周期圓柱腔體型低頻寬帶隙隔振器；
[0032] 圖2為周期圓臺腔體型低頻寬帶隙隔振器；
[0033] 圖3為周期曲母線腔體型低頻寬帶隙隔振器；
[0034] 圖4為周期方腔體型低頻寬帶隙隔振器；
[0035] 圖5為周期開放式腔體型低頻寬帶隙隔振器；
[0036] 圖6為周期圓柱腔體型低頻寬帶隙隔振器1/4三維示意圖；
[0037] 圖7為結(jié)構(gòu)隔振系統(tǒng)示意圖；
[0038] 圖8為所述隔振器安裝位置及振動傳遞示意圖；
[0039] 圖9為周期圓柱腔體型低頻寬帶隙隔振器力學模型軸對稱截面圖；
[0040] 圖10為周期圓柱腔體型低頻寬帶隙隔振器力學模型單位角度示意圖；
[0041] 圖11 (a)和（b