多孔压电分流超材料及其带隙特性研究

设计了一种新型多孔压电分流超材料构型,以单、双孔元胞构型为例,研究了其带隙特性和有限周期振动传递特性,并与未开孔压电分流超材料板进行了对比分析.计算结果表明:与未开孔压电超材料相比,两种构型在低频处的压电局域共振带隙频率更低,带宽变窄,且均会在高频范围内出现额外带隙,随着孔宽δ的增大,额外带隙数量逐渐增多;对应特定的孔宽δ的两种元胞构型均产生带宽大于1kHz的超宽带隙.该构型结合了压电分流超材料和声子晶体的特点,与传统未开孔压电分流超材料相比,具备低频和高频同时抑振的特性.     

双磁性谐振子可调超材料的带隙耦合特性研究

弹性波超材料是一种人工周期结构,可应用于航空航天、车辆工程等领域的减振降噪.本文设计了一种可以产生耦合带隙具有两个磁性谐振子的超材料.该超材料采用不锈钢薄板连接磁振子与外部框架,调节磁铁之间距离可以影响不锈钢薄板的面内应力从而影响内部刚度.通过调节元胞结构,形成相邻两元胞内部刚度不同的双胞系统,从而实现更宽的耦合带隙.得到了不锈钢薄板提供的刚度和磁力提供的负刚度随磁铁间距的变化关系.建立了双磁性谐振子可调单胞超材料和由调节磁铁距离构成的双胞超材料的频散关系和传递率理论模型.计算了磁铁距离改变对超材料带隙结构的影响以及特定情况下的双胞耦合带隙结果.设计并利用3D打印技术制作了实验模型,测得了不同磁铁距离下的传递率曲线并且验证了双胞超材料结构的带隙耦合结果.理论预测的传递率与实验结果吻合良好.所提出的模型可以为超材料的主动调控以及可编程性提供新的思路.     

超材料混凝土的带隙特征及对冲击波的衰减效应

借鉴超材料的研究思路,在混凝土中引入谐振骨料,设计出具有消波特性的超材料混凝土。首先,通过结构动力学方法计算超材料混凝土的有效质量,从而建立了超材料混凝土带隙起始频率及截止频率的简化模型,并给出了带隙起始频率及截止频率的理论表达式。然后,分析了涂层弹性模量、芯柱密度、基体密度、骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比对超材料混凝土带隙特征的影响。最后,采用数值模拟的方法,对比了超材料混凝土和普通混凝土对冲击波的衰减效应。研究结果表明:(1)低弹性模量涂层能够形成低频带隙,但带隙宽度较窄,而高弹性模量涂层能够形成较宽的带隙,但带隙起始频率较高;(2)通过选择高密度芯柱材料和低密度基体材料,可以得到低频、宽带隙特征;(3)通过增大骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比可以实现扩宽带隙的目的;(4)与普通混凝土相比,超材料混凝土对冲击波具有更好的衰减作用。