基于能带理论的泡沫填充周期点阵夹芯板隔振降噪及隔热性能研究

泡沫填充周期点阵夹芯板具有减振隔振、超轻、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收、隔热降噪等优良性能，是当前国际上认为最具发展前途的新一代超强韧轻质结构。本项目基于周期结构能带理论对泡沫填充周期点阵夹芯板的隔振、隔热、降噪性能进行系统的理论分析、数值计算与实验研究。针对各种不同的点阵结构形式研究夹芯板的禁带特性，热传播特性以及热、力耦合问题。在理论分析和数值计算基础上对点阵结构几何参数和材料参数进行优化分析，在保证结构承载力的前提下，不需要附加任何质量和能量输入，就可实现既保温隔热又能在低频宽带范围内对振动和噪声的有效抑制。 该研究旨在基于周期结构能带理论，摸索出周期点阵结构保温隔热和振动抑制的合理设计参数和有效计算方法，实现轻质结构的减振、隔振、隔热多功能一体化设计，具有重要的科学研究价值和工程实际意义。

本项目基于周期结构能带理论对周期点阵夹芯板的隔振、隔热、降噪性能进行了系统的理论分析、数值计算与实验研究。针对多种不同点阵形式的芯体，研究了夹芯板的力学特性、禁带特性、热传播特性以及缺陷态特性。为实现轻质结构的减振、隔振、隔热多功能一体化设计提供了重要的理论依据。.1.力学性能研究.对泡沫填充周期圆筒夹芯板的弯曲、剪切、平压及侧压力学性能进行了实验研究及数值模拟。分析了结构参数对夹芯板基本力学性能的影响。结果表明：周期圆筒夹芯板对于剪切、平压和侧压具有较强的承载力，抗弯承载力相对较弱。弯曲和平压情况下的实验结果与数值模拟及理论分析结果吻合较好；剪切实验结果与理论分析基本吻合；侧压实验结果与数值模拟结果吻合较好。.2. 减振降噪性能研究.分别对周期圆筒夹芯板、中空板和蜂窝板的禁带特性及振动传输响应进行了数值计算和分析，讨论了几何参数及材料参数的影响，并分别对周期圆筒夹芯板和中空板进行了振动实验测试。实验测得的周期圆筒夹芯板和中空板的加速度幅频响应曲线中均存在幅值发生明显衰减的频率范围且衰减幅度达到40%~70%。衰减的频域范围与相应的数值计算结果吻合较好，且与能带结构中的带隙位置基本吻合，说明周期点阵夹芯板具有较好的减振隔振性能。.设计了三种新型周期点阵夹芯板—N型、X型和重叠金字塔型，并对三种传统夹芯板和三种新型夹芯板分别进行了能带结构的分析。研究表明：当夹芯板只在平面方向具有周期性时，N型夹芯板的禁带特性最好。当夹芯板在平面方向和厚度方向均具有周期性时，金字塔型夹芯板在厚度方向具有最好的禁带特性。N型夹芯板振动传输曲线与金字塔型夹芯板传声损失曲线中，都存在振动和声波发生明显衰减的频率范围，且这一范围与其能带结构中的禁带和方向禁带范围相吻合。说明周期点阵夹芯板能够有效抑制振动和声波在结构中的传播，实现减振隔振以及隔声降噪的应用。.3. 隔热性能研究.分别对聚苯乙烯填充的周期正交肋板夹芯板和周期圆筒夹芯板进行了热性能的研究。分别采用有限元数值计算和理论分析求得了夹芯板的等效导热系数，研究了夹芯板各组分结构尺寸对其热性能的影响，并对聚苯乙烯填充的周期圆筒夹芯板在四种不同芯体高度情况下的导热系数进行了测定，证明了该类型的夹芯板具有良好的保温隔热性能。且实验结果与根据实际试件建模的数值结果吻合很好。