[论文解读] Innovative seismic isolation devices based on lattice materials: A review

Fernando Fraternali, Ada Amendola+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Cellular and Composite StructuresEngineering参考文献 36被引用 18

一句话总结

本文综述了基于五模态晶格的隔震装置，该装置通过交替排列晶格材料与加强板，实现接近零剪切刚度和高竖向刚度。这些装置采用3D打印技术制造，在压缩与剪切共同作用下表现出有效的能量耗散和阻尼性能，显示出作为低成本、高性能抗震防护系统的潜力。

ABSTRACT

This paper reviews recent literature results on the mechanics of structures formed by layers of pentamode lattices alternating with stiffening plates, which can be effectively employed for the development of seismic isolation devices and vibration attenuation tools, with nearly complete band gaps for shear waves. It is shown that such structures, named pentamode bearings, can respond either in the stretching-dominated regime, or in the bending-dominated regime, depending on the nature of the joints connecting the different members. Their response is characterized by high vertical stiffness and theoretically zero shear stiffness in the stretching dominated regime, or considerably low values of such a quantity in the bending dominated regime. Available results on the experimental response of 3d printed models to combined compression and shear loading highlight that the examined structures are able to exhibit energy dissipation capacity and effective damping that are suitable for seismic isolation devices. Their fabrication does not necessarily require heavy industry, and expensive materials, being possible with ordinary 3-D printers.

研究动机与目标

• 研究基于五模态晶格与加强板的晶格型隔震装置的力学行为。
• 分析这些结构在拉伸主导与弯曲主导变形模式之间的转变。
• 评估3D打印原型在压缩与剪切共同加载下的能量耗散与阻尼能力。
• 展示利用标准3D打印技术制造此类装置的可行性，无需依赖重工业或昂贵材料。

提出的方法

• 研究分析了具有五模态行为的周期性晶格材料的结构力学，其中晶格几何结构可在拉伸主导状态下实现接近零的剪切刚度。
• 根据节点柔度，将晶格-板系的响应建模为拉伸主导或弯曲主导，关键力学性能基于结构力学原理推导。
• 通过3D打印样品在压缩与剪切共同加载下的实验验证，评估其刚度、阻尼与能量耗散性能。
• 设计利用增材制造技术，制造具有可控节点行为的复杂晶格几何结构，实现可调的力学响应。
• 理论分析包括推导周期性晶格系统中剪切波的有效弹性模量与禁带特性。
• 将数值结果与实验结果对比，以验证力学模型并评估实际性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 五模态晶格-板结构在拉伸主导与弯曲主导变形模式下的力学性能如何变化？
• RQ2 3D打印的晶格型隔震器在压缩与剪切共同加载下的能量耗散能力如何？
• RQ3 这些装置能否在保持高竖向刚度的同时实现接近零的剪切刚度，以满足有效隔震的要求？
• RQ4 标准3D打印技术在无需专用材料或工业基础设施的条件下，能在多大程度上制造出功能性的隔震装置？
• RQ5 节点柔度在决定主导变形模式及晶格系统整体动态响应中起什么作用？

主要发现

• 五模态晶格-板结构在拉伸主导模式下理论上呈现零剪切刚度，可实现有效的隔震性能。
• 在弯曲主导模式下，剪切刚度仍显著偏低，保持了适用于隔振的特性。
• 3D打印原型在压缩与剪切共同加载下表现出可测量的能量耗散与有效阻尼。
• 该装置在保持低水平刚度的同时具备高竖向刚度，这是隔震器的关键要求。
• 使用标准3D打印机制造可行，无需依赖重工业或昂贵材料。
• 理论预测的剪切波禁带特性与观测到的动态行为一致，证实了其在振动衰减方面的潜力。