局域共振型声子晶体板缺陷态带隙及其俘能特性研究

设计了一种由圆柱形散射体嵌入环氧树脂基体而组成的周期阵列局域共振型声子晶体板结构, 分析了其平直带区域以及缺陷态的能量集中特性, 并研究了其振动能量采集特性. 首先基于超元胞法结合有限元方法分析了5 $\times$ 5完美声子晶体结构和缺陷态声子晶体结构的能带曲线和能量传输特性; 考虑点缺陷局域共振声子晶体结构的能量集中特性, 利用压电材料代替超元胞中某点的散射体材料引入点缺陷, 分析其振动能量采集特性, 结果表明单个5 $\times$ 5点缺陷超胞结构共振频带较窄; 为提升俘能效率, 提出两种由3个具有不同缺陷态数量和构型的5 $\times$ 5超元胞结构并联而成的5 $\times$ 15声子晶体板结构, 机电耦合特性分析结果表明: 所提出的局域共振型声子晶体板结构克服了单个点缺陷超胞结构缺陷模过少、共振频带过窄的局限性, 拓宽了俘能器的工作频带, 提高了输出电压; 此外, 引入不同的缺陷态数量和构型, 可以进一步拓宽俘能带宽, 实现更好的俘能效果.      

弹性波超材料板中拓扑交界态与缺陷保护的主动控制研究

在波动周期结构中,六边形单胞是常见的具有动态拓扑性质的重复单元。本文设计了具有主动控制特性的六边形单胞,通过粘贴压电片并连接负电容电路对材料参数进行调控,实现了弯曲波拓扑交界态传输与缺陷保护特性的主动控制,并发现了该保护行为具有方向选择特性。上述工作将物理学与声学中拓扑态概念引入到弹性波超材料板中,从而实现了其中弯曲波拓扑传输的主动控制功能。     

基于Chebyshev展开的区间穿孔板超材料分析

目前对于声学超材料的传输特性分析和优化大多是基于确定的数值和确定的模型,然而在实际工程和结构设计中存在大量材料自身特性和几何物理参数的不确定性.如果忽略这些不确定变量对声学超材料传输特性分析和优化过程的影响,得到的结果可能不正确.针对这一现状,拟将切比雪夫区间模型引入多层穿孔板超材料,提出多层穿孔板超材料声学透射率的区间切比雪夫展开-蒙特卡洛模拟法(interval Chebyshev expansionMonte Carlo simulation method,ICE-MCSM).该方法采用截断切比雪夫多项式近似拟合多层穿孔板超材料的声学透射率响应曲线,构造声学透射率响应曲线的切比雪夫代理模型;然后采用蒙特卡洛模拟法(Monte Carlo simulation method,MCSM)随机生成一定数量的不确定区间变量的样本数据点,并将生成的不确定区间变量样本数据点代入切比雪夫代理模型,预测单个不确定区间变量和多个不确定区间变量条件下的多层穿孔板超材料声学透射率区间的上界和下界.数值分析结果表明,ICE-MCSM预测的声学透射率变化区间的上界和下界与直接蒙特卡洛法(direct Monte Carlo simulation method,DMCSM)预测的声学透射率上界和下界的结果非常接近.与DMCSM相比,ICE-MCSM具有更高的计算效率.因此,ICE-MCSM可有效且高效地分析不确定区间变量条件下多层穿孔板超材料声学透射率传输特性,具有良好的工程应用前景.     

面向微振信号的驻极体减振俘能装置设计与建模

随着航天工程的飞速发展以及先进制造业对加工精度要求的持续提高,对低频微振信号的控制与利用越发受到关注.本文采用驻极体材料,参考动力减振器理论,开发了一种面向低频微振环境的减振俘能一体化装置,建立了驻极体减振俘能装置的机电耦合模型.为兼顾减振和俘能的双重要求,本文分析和等效了静电力对系统动力学特性的影响,并进行了参数的评估,提出了适用于驻极体减振俘能的优化方法.建立了AMEsim和Simulink的联合仿真环境,对模型和结果进行了仿真验真.建模和仿真的结果表明,本文建立的驻极体减振俘能装置的机电耦合模型可以准确描述装置的运动过程,建模与仿真的误差在5%以内.驻极体减振俘能装置对参数变化十分敏感,且副结构刚度、初始间距等对减振俘能性能的影响都明显强于副结构阻尼.经过优化,本文设计的驻极体减振俘能装置,能够兼顾减振和俘能需求,可以实现接近于理想动力减振器的减振效果,也可以在牺牲15%减振效果前提下,获得1700 V输出电压和3.1 m W俘能功率.本文建立的机电耦合模型和动态静电力解析模型,有助于理解驻极体减振俘能机构的工作原理,揭示了非线性静电力的变化过程和作用机理.     

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。     

考虑稳定性约束的五零能模式材料结构设计方法研究

五零能模式材料是一种声学超材料,虽然它一般采用固体材料设计,并且单胞常应用微桁架构型,但理论上这种材料设计的结构是不稳定的。本文从分析设计结构整体出发,探讨一种通过施加预载荷,确保五零能模式材料结构稳定性的方法,并给出了保证结构稳定性的充分条件,且应用典型的五零能模式材料单胞构型加以验证。同时,为方便提出的稳定性条件在设计过程中的实施,将五零能模式材料结构的设计过程描述为五零能模式材料的变换过程,采用结构尺寸优化模型来描述。当材料单胞为微桁架构型时,这一结构尺寸优化模型简单,结构稳定性约束和五零能模式材料性质约束均为线性约束。     

考虑超材料胞元间电磁耦合影响的五层模型

研究了胞元间电磁耦合对多周期超材料结构散射参数的影响,阐明了电磁耦合影响的关键因素是超材料结构的均匀性。基于中间胞层的非均匀性构建了预测复杂胞元超材料结构散射参数的五层模型,其核心工作是对边胞、中间胞和核心胞的电磁本构参数实施剥洋葱式的解耦推算;数值仿真算例验证了五层模型的预测准确度及其高效性能。     

考虑内部胞元能量等效的代表体元法

具有周期性胞元的超轻质材料在制造和应用过程中,不可避免地会出现基体材料、微结构拓扑和尺寸的随机性变化.此时,评价材料的等效弹性性能需要借助基于均匀化方法(周期性边界条件)或代表体元法(周期性边界条件,均匀应力或均匀应变边界条件等)的蒙特卡洛模拟.该文首先通过算例分析和比较了不同边界条件下的数值结果,讨论了结果的尺度效应和对胞元选取的依赖性.为了提高和改善Dirichlet边界条件下的计算效率和结果,提出了一种考虑内部胞元能量等效的代表体元法.该方法能够有效削弱边界条件和胞元选取的影响,从而实现了采用较小的代表体元得到更好的结果.数值算例验证了方法在预测确定性材料和随机性材料等效模量时的有效性.     

软基体混合胞孔材料的力学性能及抗多次冲击性能

为了探索具有优异吸能性能的软基体混合胞孔材料的力学性能,研究该类材料在多次冲击下的冲击响应和材料的可恢复性,对一种软基体混合胞孔材料—人工软骨仿生超材料（artificial cartilage foam,ACF）进行了不同速度下的单轴拉伸和压缩实验,得到了ACF材料在不同应变率条件下的应力-应变曲线。并利用落锤冲击实验机对ACF材料和另一种软基体混合胞孔材料—发泡聚丙烯材料（expanded polypropylene,EPP）进行了多次冲击下的对比测试,得到了2种材料在单次和多次冲击下的动力学响应。实验结果表明:ACF材料是一种应变率敏感的材料,随着应变率的提升,材料的弹性模量、抗拉强度和抗压强度均逐渐提高;在50 J 冲击能量作用下,ACF材料能够吸收96%以上的冲击能量,远高于EPP材料的70%,ACF材料具有更加优异的吸能性能;5次冲击后ACF材料的最大峰值力、最大变形量和吸能能力几乎不变。相比于EPP材料,ACF材料有良好的可恢复性,且具有稳定的多次抗冲击能力。这些研究为软基体混合胞孔材料在多次冲击防护中的应用提供了实验依据。     

基于人体运动的压电-电磁混合式振动能量采集研究

将人体运动产生的动能转化为可利用的电能为传感器供电一直是能量采研究中的一个热点。如何有效利用人体运动，增强环境适应能力以及提高能量采集性能仍是俘能研究中需要解决的关键问题。本文基于人体运动特性，设计了一种新型的混合式能量采集器，同时具有压电和电磁转化机制。压电俘能是基于压电梁变形产生电能，电磁发电机采用堆叠磁组构型来切割线圈产生电动势。首先建立了混合式能量采集器的动力学理论模型，用来描述输出电压特性，并与实验进行了对比验证。理论与实验研究均表明，混合式俘能器的输出电压在一定激励频率范围内出现两个波峰。通过调节压电梁长度，可以改变峰值大小以及两个峰值间的频段范围。人体运动实验表明，混合式俘能器中可以在短时间内提供较高的电压输出，比如当跑步速度为5km/h时，3s内就可以输出1.1V直流电压驱动传感器工作；跑步时长为30s时，传感器正常工作时常可以达到77s。本文设计的混合式俘能器不仅可以快速供电，还具有较强的续航能力，这为电池充电或传感器供电提供了潜在的应用价值。     

低频振动隔离和能量采集双功能超材料

振动隔离和能量采集一体化是一种能够将有害振动隔离并转化为电能收集利用的动力学机制. 本文从局域共振超材料存在低频带隙特性出发, 研究了振动隔离和能量采集双功能超材料的动力学行为. 通过在球型磁腔内放置固接了感应线圈的球摆构成具有能量采集功能的球摆型谐振器, 并将其周期性的放置在基体梁中, 可以将带隙频率范围内的振动聚集在谐振器内, 以实现振动隔离和能量采集双功能. 建立了横向激励下双功能超材料梁的动力学方程, 应用Bloch's定理得到超材料的能带结构, 通过有限元仿真验证了理论模型和研究方法. 研究了不同参数下超材料梁的带隙特性. 进一步将一维拓展到二维, 研究了二维双功能超材料板的振动隔离和能量采集性能. 最后, 设计并建造了振动隔离和能量采集一体化双功能超材料动力学实验平台, 解析、数值和实验结果表明, 在局域共振带隙的频率范围内, 超材料梁主体的振动明显被抑制, 与此同时, 振动被局限在谐振器中, 使采集到的电压达到了最大值. 通过对附加谐振器和没有附加谐振器的能带结构和幅频响应的对比, 发现球摆型谐振器的加入可以在低频范围内形成了一个局域共振带隙, 有效提高了超材料梁在低频处的振动隔离和能量采集性能.      

Theoretical investigation of the behavior of an acoustic metamaterial with extreme Young's modulus

A mechanical model with local resonators is proposed as an acoustic metamaterial that exhibits an unusual frequency-dependent effective stiffness. If treated as an equivalent elastic solid, its effective Young's modulus can become unbounded or vanishingly small at two respective frequencies. Moreover, in a certain frequency range, the effective Young's modulus would become negative, resulting in a band gap that coincides with this frequency range. The wave attenuation behavior and mechanism are studied through numerical simulations on the acoustic metamaterial model. The capability of the metamaterial to selectively block or filter unwanted waves is demonstrated by a numerical simulation example.     

具有弹性放大器的双稳态压电俘能器建模及参数影响分析

利用广义Hamilton变分原理,建立了具有弹性放大器的双稳态压电俘能系统BPH+EM的动力学方程。考虑谐波激励,采用调和平衡法获得了BPH+EM系统的位移、输出电压和功率的解析解。利用求得的解析解,讨论了BPH+EM系统扩大能量俘获的频率范围和提高能量俘获效率的机理,研究了弹性放大器的刚度质量比对BPH+EM系统的动力性能影响规律。当弹性放大器的刚度质量比趋于无限大时,具有弹性放大器的双稳态压电俘能系统退化为双稳态压电俘能系统BPH。弹性放大器的刚度质量比趋于0但不等于0时,BPH+EM的俘能效率低于BPH。结果表明,在合适的刚度质量比范围内,BPH+EM的俘能效率显著优于BPH。研究结果为BPH+EM系统的优化设计提供了理论指导。     

Modeling and simulation of an acoustic well stimulation method

This paper presents a mathematical model and a numerical procedure to simulate an acoustic well stimulation (AWS) method for enhancing the permeability of the rock formation surrounding oil and gas wells. The AWS method considered herein aims to exploit the well-known permeability-enhancing effect of mechanical vibrations in acoustically porous materials, by transmitting time-harmonic sound waves from a sound source device—placed inside the well—to the well perforations made into the formation. The efficiency of the AWS is assessed by quantifying the amount of acoustic energy transmitted from the source device to the rock formation in terms of the emission frequency and the well configuration. A simple methodology to find optimal emission frequencies for a given well configuration is presented. The proposed model is based on the Helmholtz equation, a sound-hard boundary condition at the casing, and an impedance boundary condition that effectively accounts for the porous solid–fluid interaction at the interface between the rock formation and the well perforations. Exact non-reflecting boundary conditions derived from Dirichlet-to-Neumann maps are utilized to truncate the circular cylindrical waveguides considered in the model. The resulting boundary value problem is then numerically solved by means of the finite element method. A variety of numerical examples are presented in order to demonstrate the effectiveness of the proposed procedure for finding optimal emission frequencies.     

Nonlinear vibration energy harvesting with adjustable stiffness,damping and inertia

A novel nonlinear structure with adjustable stiffness, damping and inertia is proposed and studied for vibration energy harvesting. The system consists of an adjustable-inertia system and X-shaped supporting structures. The novelty of the adjustable-inertia design is to enhance the mode coupling property between two orthogonal motion directions, i.e., the translational and rotational directions, which is very helpful for the improvement of the vibration energy harvesting performance. Weakly nonlinear stiffness and damping characteristics can be introduced by the X-shaped supporting structures. Combining the mode coupling effect above and the nonlinear stiffness and damping characteristics of the X-shaped structures, the vibration energy harvesting performance can be significantly enhanced, in both the low frequency range and broadband spectrum. The proposed 2-DOF nonlinear vibration energy harvesting structure can outperform the corresponding 2-DOF linear system and the existing nonlinear harvesting systems. The results in this study provide a novel and effective method for passive structure design of vibration energy harvesting systems to improve efficiency in the low frequency range.     

低频弹性波超材料的若干进展

超材料是一类新兴的具有超常物理性质的人造周期/拟周期材料, 能够改变电磁波、声波以及弹性波等在介质中的传播特性. 因在航天、国防以及民用科学等方面的巨大应用潜力, 超材料自被提出后便受到极大的关注并引发研究热潮. 弹性波超材料是超材料的一种, 能够基于弹性波与超材料结构的相互耦合作用实现对弹性波的操控. 带隙是评估弹性波超材料实现弹性波操控的重要工具, 其性质与超材料的材料参数、晶格常数以及局域振子的固有频率相关. 受制于超材料的承载能力、外观尺寸以及局域振子结构等因素, 利用传统超材料开启低频(约100 Hz)弹性波带隙依然存在较大困难. 文章首先简要介绍超材料开启弹性波带隙的基本原理, 然后从低频弹性波超材料基本结构与低频带隙实现方法、低频带隙优化与调控策略、低频带隙潜在应用等三个方面详细总结低频弹性波超材料的研究工作. 其中, 低频带隙超材料的基本结构主要包括布拉格散射型超材料、传统局域共振型超材料以及准零刚度局域共振超材料. 文章通过总结低频弹性波超材料的研究进展, 分析了目前研究中的不足并对未来低频弹性波的研究方向进行了展望.      

非对称势阱对三稳态压电俘能器性能的影响分析

为了探讨具有非对称势能函数的三稳态压电俘能器的优点,提出了一种具有不对称势能函数的三稳态结构。基于广义Hamilton变分原理,考虑梁端磁铁偏心距和转动惯量的影响,建立了非对称三稳态压电悬臂梁俘能系统的动力学方程,利用龙格-库塔法和多尺度法分析了初始振动点、外界激励等对存在非对称势阱的磁力式三稳态压电俘能系统响应的影响。结果表明:合适的起振位置和外部激励频率能使系统进入高能轨道,产生大幅阱间运动,提高系统的俘能效率。相比于忽略梁端磁铁偏心距和转动惯量的传统模型,修正模型的系统阱间运动频带宽度及输出功率峰值的计算结果均明显增大。     

Wave-based analysis of dual acoustic black holes for anechoic termination of shock testing devices

Shock testing is an important issue for the survivability of an equipment under shock environment in aerospace and military industries. One of the problems faced in conventional shock testing devices is the need for redesigning of the geometry whenever the responses to different shock environments are tested. To circumvent the redesigning processes, a structure with two ‘acoustic black holes (ABHs)’ on both ends, referred to as the beam with dual ABHs, is proposed as a shock testing device. The beam with dual ABHs is capable of simulating diverse shock environments by controlling the applied force because it can be regarded as an infinite beam at high frequency range with the aid of the anechoic terminations by the ABHs. To systematically investigate the beam with dual ABHs, we develop a wave-based method that uses the reflection matrix of an ABH to perform free and forced vibration analyses. From the analyses on frequency response function and shock response spectrum of the beam with dual ABH, it is suggested that the beam with dual ABHs is feasible as a semi-permanent shock testing device.