具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图3，本发明一实施例中提供的一种非周期机械拓扑绝缘体单胞模型的设计方法，包括以下步骤：

步骤S10，以磁流变弹性体为基体，以及纯铁为基体内的散射体，构建周期机械拓扑绝缘体单胞模型；

步骤S11，采用随机坐标公式对两个散射体的位置进行非周期化，以在基体内形成非周期传播通道，即周期机械拓扑绝缘体单胞模型转变为非周期机械拓扑绝缘体单胞模型，该随机坐标公式为：

其中，x₁₀、y₁₀为其中第一个散射体的原始圆心坐标，x₁、y₁为第一个散射体随机变化后的圆心坐标，ρ₁＝0.1～0.2L，θ₁＝2π，rand₁为0到1之间的随机均匀分布函数，L为第一个散射体的原始圆心坐标与第二个散射体的原始圆心坐标之间的距离，x₂₀、y₂₀为其中第二个散射体的原始圆心坐标，x₂、y₂为第二个散射体随机变化后的圆心坐标，ρ₂＝0.1～0.2L，θ₂＝2π，rand₂为0到1之间的随机均匀分布函数；

步骤S12，构建周期机械拓扑绝缘体单胞模型不同形态的周期通道板超胞和非周期机械拓扑绝缘体单胞模型不同形态的非周期通道板超胞，并在周期通道板超胞和非周期通道板超胞的左端分别输入谐振激励生成对应的总位移响应图进行对比分析，以确定弹性波或机械波在非周期传播通道内均匀传播。

请参阅图2和图3，需要说明的是，填充率为散射体的总面积除以基体的面积。具体的，如图2所示，填充率等于两个圆形的面积除以基体的面积(不包含两个圆形的面积)。由于磁流变弹性体基体弹性模量较小，一所以个完整的平行四边形基体较难获得完全带隙，因此，通过差集运算，挖去四角生成的圆形域，以此提高散射体的填充率。但是，散射体的填充率不能无限制的增大，因此，为了增加散射体随机分布的范围，所述第一个散射体的半径为0.1～0.2mm，所述第二个散射体的半径为0.05～0.1mm，且L的取值为0.6dm。

具体的，其中，位于长对角线上的两个角的去除形状为两个相同的第一扇形，位于短对角线上的两个角的去除形状为两个相同第二扇形，第二扇形的面积为第一扇形的面积的两倍。

进一步地，在步骤S12之后，所述设计方法还包括：

步骤S121，将不同形态的非周期通道板超胞的总位移响应图转换为总位移等值线图；

步骤S122，在总位移等值线图中，计算不同形态的非周期传播通道上下界面处相同总位移值所在的点的距离，以获取弹性波或机械波传播过程中不同形态的非周期传播通道的通道宽度，并计算其平均值和均方差，以确定弹性波或机械波在不同形态的非周期传播通道中各处的响应均匀。

实施例1

本实施例中，该基体和散射体的材料参数如表1所示。

表1非周期机械拓扑绝缘体单胞模型的材料参数表

在周期机械拓扑绝缘体单胞模型的基础上，通过对通道内的散射体进行非周期化，使弹性波比较均匀的在整个通道内传播，为此，对周期通道板超胞和非周期通道板超胞构造了三种形态，分别为直线形态、Z字形态和倒S形态。

在建模过程中，通过上述方法得到随机分布的坐标后，将其替代为各种形态通道内的散射体坐标，其中ρ₁＝ρ₂＝0.2L，L＝0.6dm，第一个散射体的半径为0.15mm，所述第二个散射体的半径为0.075mm。

具体的，(x₁₀,y₁₀)＝(0，0)，单位为mm。当rand₁取值为0.81，0.91，0.13，0.91，0.63，0.09，0.27，0.54，0.95，0.96，0.15，0.97，0.95，0.48，0.80，0.14，0.42，0.91，0.79，0.95时，对应(x₁,y₁)的坐标为：(-6.07,4.08)，(11.14,7.74)，(3.94,-6.72)，(10.50,-11.02)，(-4.24,9.03)，(0.32,0.42)，(-0.33,2.57)，(-7.23,-7.38)，(-6.57,-11.36)，(5.60,-11.78)，(-1.89,6.85)，(11.58,-10.68)，(-1.97,-9.71)，(8.53,7.60)，(8.85,7.34)，(3.05,0.07)，(-2.89,-2.13)，(-4.70,9.69)，(10.23,-5.48)，(11.48,11.59)。

(x₂₀,y₂₀)＝(21.213，21.213)，单位mm，当rand₂取值为0.75，0.25，0.50，0.69，0.89，0.95，0.54，0.13，0.14，0.25，0.84，0.25，0.81，0.24，0.92，0.34，0.19，0.25，0.61，0.47时，对应(x₂,y₂)的坐标为：(14.94,30.16)，(24.87,13.97)，(13.44,29.58)，(11.51,19.39)，(31.05,31.00)，(18.58,14.18)，(21.63,30.46)，(21.37,15.58)，(16.17,14.81)，(14.34,13.66)，(31.02,24.59)，(28.31,24.99)，(10.53,32.00)，(22.57,17.34)，(31.80,30.67)，(26.76,14.01)，(14.69,19.50)，(13.84,21.03)，(30.88,25.78)，(16.61,24.32)。

通过Comsol with Matlab联合仿真，生成模型，并将模型导入ComsolMultiphysics中。在通道板的左端设置幅值为10mm的谐振激励，利用Comsol Multiphysics里的固体力学模块计算，设置扫频范围为460Hz-500Hz，进行频域分析。

请参阅图3(a1)-图3(c2)，具体的，以板内总位移为计算参数，分别计算对应的周期与非周期波传特性响应图。

从图3(a1)、图3(b1)、图3(c1)的波传特性响应图可以得出，周期机械拓扑绝缘体超胞的总位移响应图在通道内均有响应，在通道之外响应为零，说明此时已经实现了弹性波拓扑保护的边缘态传播。如果将外界载荷连接到输入端，则可以通过这种模式将弹性波导入到合适的位置，从而保护被隔振的设备或机器。但是，需要说明的是，在谐振载荷的输入端响应较大，超出了通道的范围，而且通过波传特性响应图可以看出，输入端的响应数值远高于通道的其它位置，容易发生疲劳破坏。

从图3(a2)、图3(b2)、图3(c2)的波传特性响应图可以得出，非周期机械拓扑绝缘体超胞则是弹性波比较均匀的在通道内传播，没有出现激励端的响应远远高出通道板内的其它部分的情况，说明将通道内的散射体非周期化后，其拓扑保护的边缘态并未破坏，反而可改善弹性波的传播效果。

实施例2

请参阅图4(a)-图4(c)，为了获得非周期机械拓扑绝缘体超胞的波传播特性，需要统计其传播过程中的形态特点。具体的，其中ρ₁＝ρ₂＝0.1L，L＝0.6dm，第一个散射体的半径为0.15mm，所述第二个散射体的半径为0.075mm，利用Comsol Multiphysics的后处理功能，将该参数下的图3(a2)-图3(c2)中总位移响应图转换成对应图4(a)-图4(c)中的总位移等值线图，计算通道上下界面处相同总位移值所在的点的距离，以获取波传播过程中的通道宽度，计算其平均值和方差，计算结果如表2所示。

表2三种非周期传播通道几何特征

从表2中可以看出，直线形通道的平均值最小，而Z字形和倒S形通道的平均值较大，这是因为Z字形和倒S形通道在方向变化时会影响到自身其他段的传播。从均方差来看，三种类型通道的均方差数值较小，说明弹性波或机械波在三种拓扑保护的边缘态通道传播时，其各处的响应较为均匀。而且三种通道的均方差数值彼此比较接近，这是由于三种类型的拓扑绝缘体非周期化的方式相同，均是在0.1L的范围内将通道内小圆散射体位置随机均匀取点的。

综上，本发明中，通过采用随机方法对基体内的散射体进行非周期化，以在基体内形成非周期传播通道，使弹性波或机械波得以均匀的在非周期传播通道内传播，从而避免在非周期传播通道内发生响应过大的现象。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。