本發(fā)明屬于土木工程，涉及一種具有慣容負剛度特性的彈性曲梁放大增效型單胞和超材料。

背景技術：

1、超材料是基于人工結構單胞組成的新型人工復合周期材料，可實現傳統(tǒng)自然材料無法實現的力學性能。超材料周期結構對動荷載的敏感性為實現振動與噪聲控制提供了可能。傳統(tǒng)局域共振型超材料在單胞結構中設置由柔性材料包裹的局域共振單元，進而產生阻止彈性波傳播的禁帶帶隙，為實現低頻帶隙和構建地震工程領域超材料提供了可能。然而，現有局域共振型超材料普遍存在難以實現低頻帶隙的問題；特別是在地震波調制領域，實現低頻帶隙往往需要增加共振單元的附加質量、降低共振單元內有剛度，而這限制了此類技術在復雜工程約束條件下的應用。此外，相較于布拉格型超材料，局域共振型超材料雖然更適合極低頻范圍減振，但彈性波在共振帶隙內有效衰減不足，亟需發(fā)展具有低頻帶隙和高衰減系數的超材料新單元。

2、專利cn114658782a公開了一種性能增強的雙向緩沖吸能超材料，包括由多個單胞周期排列而成的多胞超材料結構；單胞由交叉曲梁、雙向環(huán)、螺旋桿、長方體框架和連接桿構成，長方體框架由直梁組成，交叉曲梁由兩根曲梁交叉組成，兩組交叉曲梁安裝在框架的兩個相對面內，交叉曲梁的端部與長方體框架固定連接，兩組交叉曲梁互相平行，單胞內雙向環(huán)的上、下端面分別與兩組交叉曲梁的中部通過螺旋桿固定連接，不同單胞在豎直方向通過直桿連接交叉曲梁的交叉處，水平方向通過共用長方體框架的方式進行連接，多個單胞周期排列形成多胞的超材料結構。雖然該專利通過疊加交叉曲梁的方式增強了超材料的吸能能力，然而一方面該專利的交叉曲梁變形與外部位移相一致，不具備內部振動自由度，削弱了其在小變形情況下的吸能效果，另一方面該專利的超材料缺乏增強耗能單元，難以迅速將吸收的能量進行耗散，限制了其消能減振的能力。

3、專利cn115596799a公開了一種具有可調力學性能的模塊化多穩(wěn)態(tài)超材料結構，包括可調力學性能的單胞、水平長連接桿、豎直短連接桿；其中，單胞、水平長連接桿、豎直短連接桿若干，根據需要組裝成具有任意數量行和列的結構模塊化多穩(wěn)態(tài)超材料結構。雖然該專利通過可變形狀的彎曲梁設計來調整單胞的力學行為，并通過組裝實現多穩(wěn)態(tài)的超材料結構，然而該專利的單胞不具備質量放大與超阻尼的能力，這使得所構建的超材料體系難以實現低頻帶隙，同時彈性波在共振帶隙內的衰減能力不足。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現有技術存在的至少一種缺陷而提供一種具有慣容負剛度特性的彈性曲梁放大增效型單胞和超材料，本發(fā)明能夠實現低頻多維激勵下的結構振動的增效控制。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現：

3、本發(fā)明的技術方案之一在于，提供一種具有慣容負剛度特性的彈性曲梁放大增效型單胞，該單胞包括正剛度-負剛度單元和框架，

4、該框架包括內殼和外殼，所述內殼設置于外殼內滑動連接，所述外殼為單胞提供承載能力，

5、所述正剛度-負剛度單元包括滑塊和彈性曲梁，所述滑塊滑動伸入內殼內，所述滑塊的伸出端通過彈性梁與外殼固定連接，所述內殼于滑塊伸出的另一端通過彈性梁與外殼固定連接，

6、所述內殼內固定連接有彈性曲梁，所述滑塊上固定連接有突起，該突起滑動接觸彈性曲梁，所述突起與彈性曲梁剛接觸時設置為單胞的初始狀態(tài)，所述突起和彈性曲梁的中軸線上的弧面頂點接觸時設置為彈性曲梁的平衡點；

7、當外部荷載通過彈性梁作用于滑塊的突起上時，所述彈性曲梁首先表現為正剛度的特性，待滑塊的突起跨過彈性曲梁的平衡點后，所述彈性曲梁表現為負剛度的特性；

8、連接外殼與兩側內部部件的彈性梁具有類似于調諧彈簧的作用，通過共振調諧來放大滑塊的位移，從而放大負剛度/慣容單元變形。

9、作為優(yōu)選的技術方案，所述彈性曲梁的形式由余弦函數形式表達的函數表達式為，

10、

11、其中，a為彈性曲梁的高度值，k為彈性曲梁的形狀因子，取值范圍為(0,1]，d為彈性曲梁的跨度，m為彈性曲梁的偏移值。

12、進一步地，所述彈性曲梁與突起的接觸面設置為變摩擦系數面，有利于實現單胞的超阻尼機制，增強帶隙內彈性波峰值的衰減。

13、進一步地，所述彈性曲梁表面的摩擦系數沿彈性曲梁的中軸線對稱分布，且自中軸線向兩側線性遞減，摩擦系數的分布設計實現滑塊的位移行程與摩擦耗能之間的平衡，即基于人工的設計實現傳統(tǒng)自然材料無法實現的阻尼性能。

14、作為優(yōu)選的技術方案，所述彈性曲梁表面的摩擦系數取決于表面涂料的類型與成分，最大值為0.5-1.0，最小值為0.1-0.2。

15、作為優(yōu)選的技術方案，所述彈性曲梁的跨度范圍取決于滑塊與彈性曲梁保持接觸的運動范圍，這與單胞的設計相關。

16、進一步地，所述正剛度-負剛度單元還包括連接板，所述滑塊的伸出端固定連接有連接板，該連接板于滑塊連接的另一側固定連接彈性梁，所述滑塊沿內殼的開槽發(fā)生水平方向的移動，移動過程中突起與彈性曲梁相互接觸。

17、進一步地，所述彈性梁設置有多根，其中一根布置于單胞的中軸線上，其余對稱布置于中軸線的兩側；

18、對稱布置于中軸線兩側的彈性梁設置為彈性曲梁，該彈性曲梁靠近內殼的連接端與中軸線的距離小于與外殼的連接端與中軸線的距離，所述彈性曲梁彎曲設計的目的是為了使彈性曲梁具有變形能力，在受力過程中能夠實現壓縮變形、拉伸變形和復位。

19、進一步地，所述單胞還包括杠桿轉動慣容單元，該杠桿轉動慣容單元包括支撐板、轉軸和質量塊，所述內殼內固定連接有支撐板，該支撐板上鉸接設置有轉軸，該轉軸的一側通過梁與滑塊固定連接，另一側通過梁與質量塊固定連接，所述轉軸和質量塊僅發(fā)生平面內轉動運動；

20、當滑塊推動梁-轉軸-梁時，另一側的質量塊會發(fā)生轉動的運動，從而實現慣容效果。

21、進一步地，所述轉軸的一側通過短梁與滑塊固定連接，另一側通過長梁與質量塊固定連接；

22、同時，所述滑塊一側的梁的長度小于質量塊一側的梁的長度，實現杠桿質量放大效果，所述長梁與短梁的長度比的意義在于調節(jié)單胞的慣量系數。

23、進一步地，所述短梁和長梁分別設置有多根，其中一根布置于單胞的中軸線上，其余對稱布置于中軸線的兩側；

24、對稱布置于中軸線兩側的短梁和長梁分別設置為短曲梁和長曲梁，所述短曲梁與滑塊的連接端與中軸線的距離小于與轉軸的連接端與中軸線的距離，所述長曲梁與轉軸的連接端與中軸線的距離小于與質量塊的連接端與中軸線的距離，所述短曲梁和長曲梁彎曲設計的目的是為了使短曲梁和長曲梁具有變形能力，在受力過程中能夠實現壓縮變形、拉伸變形和復位。

25、作為優(yōu)選的技術方案，所述質量塊的形狀選自球體、長方體、正方體中任意一種可選形狀，沒有特殊要求。

26、進一步地，所述內殼和外殼的側壁之間通過滾珠滑動連接輔助運動。

27、本發(fā)明的技術方案之一在于，提供一種具有慣容負剛度特性的彈性曲梁放大增效方法，該方法采用所述的單胞進行放大增效，包括以下步驟：

28、當單胞開始工作時，外部激勵通過外殼和彈性梁傳遞至連接板，該連接板相對內殼向內帶動滑塊共同發(fā)生水平位移；

29、所述滑塊的突起壓迫彈性曲梁發(fā)生彈性變形，所述彈性曲梁提供反作用力抵抗滑塊的水平運動，即產生正剛度效果；

30、當滑塊的突起跨過彈性曲梁的中軸線時，所述彈性曲梁提供水平向內作用力進而促使滑塊進一步相對內殼向內進行水平運動，即產生負剛度效果；

31、與此同時，所述彈性曲梁表面的變摩擦系數使得單胞具有超阻尼特性；

32、所述滑塊的水平運動帶動短梁發(fā)生彈性變形，所述短梁帶動轉軸旋轉，進一步使得長梁發(fā)生彈性變形運動；

33、基于梁彈性變形特性，所述長梁轉動運動將帶動端部的質量塊沿單胞的中軸線發(fā)生轉動運動；

34、基于短梁與長梁之間的長度比關系，所述質量塊的轉動運動具有杠桿變形放大效應；

35、進而產生基于質量塊轉動及梁杠桿放大效應的慣容質量增效效果；

36、當連接板相對內殼向外運動時，所述單胞實現相同的工作模式，具有往復耗能的能力。

37、本發(fā)明的技術方案之一在于，提供一種超材料，該超材料包括多個串聯(lián)或并聯(lián)的所述的單胞，所述彈性梁用于局域共振調諧以放大負剛度/慣容單元變形，配合正剛度-負剛度單元和杠桿轉動慣容單元，通過正剛度-負剛度單元上摩擦系數的設計實現單胞的超阻尼機制，有效提升有限單胞序列對短時沖擊作用的峰值控制效果，具有規(guī)則的外殼易于進行多種樣式的組合與應用；

38、外部激勵輸入時，各個單胞依次工作，能夠提供更為優(yōu)異的寬頻減震效果。

39、作為優(yōu)選的技術方案，將單胞簡化為非線性慣性力、非線性彈性力和非線性阻尼力的模型，在模型的基礎上進行串聯(lián)、并聯(lián)設計，計算并實現不同構型下特定的負剛度值、慣量系數和阻尼系數。

40、與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

41、(1)本發(fā)明所提出的超材料單胞實現了彈性曲梁放大型慣容質量增效、正剛度-負剛度自適應以及摩擦型超阻尼多機制融合，解決了目前超材料單胞形式單一，超材料帶隙窄、中心頻帶高、帶隙內彈性波衰減不足等難題；本發(fā)明實現了超寬頻低頻帶隙、變摩擦型超阻尼減振(相較于局域共振型超材料的阻尼增效)及非線性慣性吸能等效果，能夠實現低頻寬頻多維激勵下的結構振動的增效控制，提升了超材料減振對寬頻域激勵和設計參數變化的魯棒性；

42、(2)本發(fā)明所提出的具有慣容負剛度特性的彈性曲梁放大型單胞可內置于具有高靜承載力框架周期結構內部，基于非線性慣容-負剛度共振單元和變摩擦型超阻尼提供低頻寬頻帶隙，解決了現有隔震技術靜態(tài)承載力與隔震能力的矛盾；所提出的超材料單胞具有體積小、易于制作、易于組合等優(yōu)勢，可以通過3d打印等制備工藝生產，相較傳統(tǒng)生產工藝具有生產成本低、生產效率高等優(yōu)勢；

43、(3)本發(fā)明所提出的超材料單胞進行了標準化設計，外觀規(guī)整，相互之間可以實現串聯(lián)、并聯(lián)等多種組合方式，以此可以提供特定的負剛度值、慣量系數和阻尼系數，以滿足工程項目減隔震的不同需求。