Page 209 - 《振动工程学报》2026年第5期

第 5 期 吴少培，等：负泊松比超材料的拓扑优化设计及减振性能试验研究 1413

40 观测点A 观测点B 40 观测点A 观测点C 40 观测点A 观测点D
20
20
20
时域分析 加速度 / (m·s −2 ) −20 0 加速度 / (m·s −2 ) −20 0 加速度 / (m·s −2 ) −20 0

−40 −40 −40
0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10
时间 / s 时间 / s 时间 / s

1.2×10 4 4×10 6
6
(208.01, 3.66×10 ) 6 6
4
(195.92, 1.14×10 ) 3×10 6 观测点A 2.5×10 6 (86.22, 2.34×10 ) 观测点A
4
1.0×10
2.0×10
观测点C
观测点D
4
频域分析 加速度 / (mm·s −2 ) 8.0×10 3 3 3 (195.93, 0.79×10 ) 观测点A 加速度 / (mm·s −2 ) 2×10 6 6 (207.85, 1.89×10 ) 加速度 / (mm·s −2 ) 1.5×10 6 6 5 (87.69, 0.7×10 )
6.0×10
6
观测点B
1.0×10
4.0×10
6
1×10
2.0×10
3
100 150 200 250 300 100 150 200 250 300 5.0×10 20 50 100 150 200
频率 / Hz A-B 频率 / Hz A-C 20 频率 / Hz A-D
4
观测点间的加速度振级落差 加速度振级落差 / dB 3 2 1 加速度振级落差 / dB 6 5 4 3 2 加速度振级落差 / dB 15 5
10

100 150 200 250 300 1 100 150 200 250 300 20 50 100 150 200
频率 / Hz 频率 / Hz 频率 / Hz
v=−0.3, 2×2结构 v=−0.5, 3×3结构 v=−0.9, 3×4结构

图 20 三种负泊松比结构时域分析与频域分析
Fig. 20 Time-domain and frequency-domain analysis of three types of negative Poisson’s ratio structures

表 5 三种负泊松比结构时频分析下的峰值数据 TPU 材料试件进行了松弛试验和拉伸试验。进一
Tab. 5 Peak values of time-frequency analysis for three types of 步，通过静力学分析验证了周期性序构、结构厚度
negative Poisson’s ratio structures 及负泊松比值对吸能性能的影响，最后通过频响分

−2
4
频率/Hz 加速度/(10 mm·s ) ∆L/dB 析试验验证了负泊松比结构的减振性能。试验与有
结构类型
输入 输出 输入 输出 输入 输出 限元分析表明，拓扑优化后的负泊松比结构，通过调
ν = −0.3， 整周期排列、结构厚度等参数，能够显著提升减振
195.92 195.93 1.14 0.79 3.19
2×2结构
性能。具体结论如下：
ν = −0.5， 208.01 207.85 366 189 5.74 （1）拓扑优化后的周期排列结构，在压缩过程中出
3×3结构
ν = −0.9， 现负泊松比效应，4×4 结构表现出更优的吸能能力，
86.22 87.69 234 70 10.48
3×4结构 增加胞元数量可有效增强结构承载能力和吸能性能。
（2）结构厚度对吸能性能有显著影响，随着厚度
测试频率附近取得 5.74 dB 的振级衰减。而负泊松
的增加，结构的能量吸收能力提升。较厚结构提供
比 为−0.3 的 2×2 结 构 在 约 196 Hz 处 仅 实 现 3.19 dB
了更大的受力截面和材料体积，有助于储存更多的
的振级衰减，减振效果相对较弱。 应变能量，从而提高抵抗变形的能力。

（3）负泊松比为−0.5 的拓扑结构在周期排列后
5 结 论 表现出更优的吸能性能，4×4 排列的结构设计能实现
更高效的能量吸收。
本文基于拓扑优化算法，在正方形结构上以柔 （4）不同负泊松比结构在不同频段的减振性能
顺度最小为目标函数，以结构体积分数为约束条件， 存在显著差异，整体呈现出负泊松比绝对值越大、
优化出三种负泊松比结构，并通过拉压力测试仪对 结构尺度越大，其低频减振能力越强的规律。