关于负泊松比的材料力学课程教学拓展与探索

泊松比是材料力学课程教学中的重要力学概念与材料弹性常数之一。本文对现有材料力学课程中泊松比教学内容进行了拓展和补充,引入了负泊松比效应概念,并介绍了常见的负泊松比材料及其力学性能优势。重点基于内凹蜂窝超材料,详细介绍了实现负泊松比效应的超材料力学理论分析及其教学实践;并借鉴虚拟仿真实验概念,应用有限元数值分析方法,对超材料的负泊松比效应进行仿真分析与讨论,直观地展示了超材料的力学变形模式及其负泊松比效应。从而以此为切入点,加深学生对弯曲内力、挠度、应变和泊松比等重点知识的理解与实践运用。     

负泊松比材料和结构的研究进展

负泊松比材料和结构具有特殊的力学性能,在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀).其在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面比传统材料更有优势,因而负泊松比材料在医疗设备、传感器、防护设备、航空航海及国防工程等领域有广泛的应用前景,但目前负泊松比材料的应用与普及仍面临一些挑战.本文广泛讨论了国内外关于负泊松比材料的研究成果并介绍了负泊松比材料的最新进展,将负泊松比材料大体概括为以下4类:天然负泊松比材料、胞状负泊松比材料、金属负泊松比材料、多重和复合负泊松比材料.主要介绍了各种负泊松比材料的内部结构、负泊松比机理、力学性能以及在各行各业的新发明、新应用.针对目前负泊松比材料研究理论和实验成果多,而实际应用仍然较少的情况,指出了负泊松比材料的缺点及其推广所面临的挑战.目前负泊松比材料面临的主要问题是制造成本高、孔隙率大而承载力不足以及仅适用于小应变情况等.本文针对此情况详细介绍了金属负泊松比材料及其设计和制作的方法,改善负泊松比材料的不足并推广其应用.      

声波超材料设计的力学原理与进展

声波超材料是一种特殊的人工复合材料,它基于连续介质力学理论描述,通过对微观结构的精心设计,在宏观上获得反常规的动态材料属性,如负动态质量,负动态模量,负折射率等.超材料的出现为实现波动控制提供了可能,相关研究在工程领域具有潜在的应用价值.本文着重阐述了弹性固体超材料、声波超材料、超表面、主动超材料的设计原理与相关研究进展, 所述原理对于波控结构的设计与制备实现具有指导意义.     

增材制造三维微点阵材料力学性能表征与细观优化设计研究进展

三维微点阵材料是一种由复杂拓扑胞元周期性排列构成的超轻质结构材料，兼具极低的密度、优越的力学特性和良好的能量吸收等性能，是满足轻量化、抗冲击和多功能集成需求的重要新型战略材料.增材制造技术的快速发展，为三维微点阵材料的制备和优化设计带来了便利的条件，二者的结合为航空航天、轨道交通以及武器装备等领域实现防护结构轻量化和多功能一体化提供了新思路.为阐明增材制造三维微点阵材料的动态力学特性与变形失效机理，进一步开展材料多尺度优化设计，拓展增材制造微点阵材料在冲击防护等领域的应用，对增材制造三维微点阵材料力学行为与设计的研究成果进行了系统的综述和展望.依据增材制造三维微点阵材料的多尺度结构特征，分别评述了不同类型微点阵材料的宏观动力学响应与失效机制、细观性能表征与结构优化设计、微观组织特征与变形机理等方面的研究，展望了未来增材制造三维微点阵材料在冲击防护领域面临的问题和挑战.     

负泊松比结构力学设计、抗冲击性能及在车辆工程应用与展望

轻量化多功能负泊松比结构由于具有优异的可设计性、拉胀特性、剪切模量、断裂韧性、抗冲击吸能、减震降噪等特性,在车辆吸能结构设计和多功能优化方面具有巨大的应用潜力.本文详细综述了负泊松比结构的力学设计及其在车辆工程中的典型应用:(1)负泊松比基本概念及其力学特性, 以及近几十年来的快速发展趋势;(2)负泊松比材料与结构构型设计方法的基本分类、负泊松比泡沫材料微结构特征及制备工艺、负泊松比复合材料设计方法的基本发展历程以及前沿人工智能设计方法;(3)针对典型负泊松比结构的力学设计进行详细介绍, 主要包括手性结构、方格旋转结构、双箭头内凹结构、内凹蜂窝结构、拉伸扭转效应负泊松比结构等;(4)负泊松比材料与结构的冲击吸能特性及相关的实验、理论和模拟研究;(5)负泊松比材料与结构在汽车轻量化设计领域的典型应用, 主要包括汽车吸能盒、B柱、发动机罩、安全带、悬架、免充气轮胎等典型吸能结构件;(6)负泊松比结构在汽车工程中的应用前景, 所面临技术挑战和巨大应用潜力.      

基于拓展多尺度有限元的点阵材料结构最小柔顺性设计

本文应用拓展的多尺度有限元法（Extended Multiscale Finite Element Method),以微观构件的截面积为设计变量,研究了体积约束下点阵材料构成结构的最小柔顺性设计问题。建立了适应具有复杂几何形状和载荷边界的点阵材料结构的优化模型,应用序列二次规划算法对悬臂梁和L形梁算例在线性边界条件和周期性边界条件下进行了优化设计,讨论了点阵材料微结构尺寸效应对优化结果的影响,验证了优化模型和求解算法的可靠性,为点阵材料应用于复杂实际工程结构的优化设计提供了新的技术手段。     

弹性拓扑材料研究进展

拓扑绝缘体起源于量子波动系统, 因其单向传输、能量无耗散等新奇物理性质, 近年逐渐被拓展到电磁波、声波、弹性波等经典波动领域, 为经典波的调控提供了新思路. 本文将系统介绍拓扑绝缘体理论及其在弹性波领域的相关研究进展. 首先以一维、二维离散点阵系统为例, 阐释拓扑物理研究中的基本数学、物理概念, 如狄拉克锥、能带翻转、贝里曲率、拓扑数等. 随后, 依次讨论弹性系统谷霍尔绝缘体、陈绝缘体、自旋霍尔绝缘体的设计思想及目前研究进展, 并讨论了近年来逐渐受关注的高阶拓扑现象. 最后, 讨论了静力学中拓扑孤立子、拓扑零能模式现象.      

晶界结构及其对力学性质的影响(Ⅰ)

许多实验结果表明晶界对多晶材料的力学性能产生很大影响.本文简要总结了研究晶界结构及其对多晶材料力学性能的影响方面的理论和实验工作.第一部分介绍了描述晶界结构的各种模型,包括小角晶界位错模型,大角晶界重合点阵模型、O点阵模型和位移移动重位点阵理论,还讨论了晶界原子和电子结构,以及晶界结合力和晶界能.第二部分总结了晶界结构对力学性能的影响,包括强度,断裂韧度,蠕变,疲劳,沿晶断裂(应力腐蚀开裂,氢脆,液态金属腐蚀等).文中还介绍了最近发展起来的利用控制晶界结构改进多晶材料力学性能方面的新成果,晶界设计和毫微晶材料.      

负泊松比蜂窝材料的动力学响应及能量吸收特性

针对传统正方形蜂窝，通过用更小的双向内凹结构胞元替代原蜂窝材料的结构节点，得到了一种具有负泊松比特性的节点层级蜂窝材料模型。利用显式动力有限元方法，研究了冲击荷载作用下该负泊松比蜂窝结构的动力学响应及能量吸收特性。研究结果表明，除了冲击速度和相对密度，负泊松比蜂窝材料的动力学性能亦取决于胞元微结构。与正方形蜂窝相比，该负泊松比层级蜂窝材料的动态承载能力和能量吸收能力明显增强。在中低速冲击下，试件表现为拉胀材料明显的"颈缩"现象，并展示出负泊松比材料独特的平台应力增强效应。基于能量吸收效率方法和一维冲击波理论，给出了负泊松比蜂窝材料的密实应变和动态平台应力的经验公式，以预测该蜂窝材料的动态承载能力。本文的研究将为负泊松比多胞材料冲击动力学性能的多目标优化设计提供新的设计思路。     

微纳米点阵力学超材料的设计和性能

在过去几年中,增材制造技术的不断涌现促进了点阵力学超材料研究的迅猛发展。本文主要介绍三维微纳米点阵力学超材料的性能和设计,强调点阵单胞基本单元的演化发展:从桁架到平板再到曲面,如何降低结构内部的应力集中,一步步实现理论预测的各向同性的Hashin–Shtrikman极限刚度。并对这一类力学超材料在生物医药、能源环境等领域的应用进行概述。     

Propagation of electromagnetic wave in the three phases soil media

IntroductionItisofparamountimportancetogetgeotechnicalparameterssuchasmoisture ,compactness,andshearstrengthforgeotechnicalengineeringtransaction .Butthemethodtofetchthesoilsamplesforlaboratorytestcannotavoidbringingthedisturbance ,andmakethetestresultsinconsistenttotheactualstatusofsoil.Inrecentyears,theapplicationofEMwaveinthedetectinghiddentroublesindamsandundergroundfoundationsdevelopedrapidly .Buttherearestillsomefactorsthatrestricttheadvanceofapplication .Firstly ,thesoilconstitutesthr…     

Elastic metamaterials with local resonances: an overview

Metamaterials are artificial composite materials engineered to have properties that may not be found in nature. By exploring locally resonant effect of the building units, elastic metamaterials are able to possess negative values of effective mass, effective bulk or shear modulus. Mass-spring and continuum material versions of these elastic metamaterials are reported and the physical mechanisms of negative effective parameters are demonstrated. Applications of metamaterials to acoustic cloaking and superlensing are also discussed.     

Scattering of electromagnetic waves by an acoustic disturbance in the atmosphere

Summary The variations in density associated with an acoustic wave are shown to influence the propagation of an electromagnetic wave. The variation in electric permittivity of the atmosphere caused by an acoustic wave is expressed by the power density of the wave. Under the assumption that the acoustic waves are spherical, the scattered field at large distances is given in terms of definite integrals which are evaluated by means of the method of Stationary Phase. The limiting case of plane acoustic waves is discussed, and two numerical examples are given.     

DYNAMIC ANTI-PLANE PROBLEMS OF PIEZOCERAMICS AND APPLICATIONS IN ULTRASONICS—A REVIEW

We review theoretical results on anti-plane motions of polarized ceramics based on the linear theory of piezoelectricity. Solutions to dynamic problems of the propagation of bulk acoustic waves (BAW) and surface acoustic waves (SAW), vibrations of finite bodies, and applications to various piezoelectric devices including piezoelectric waveguides, resonators, mass sensors, ?uid sensors, actuators, nondestructive evaluation, power harvesters (generators), transformers, and power transmission through an elastic wall by acoustic waves are discussed. Complications due to material inhomogeneity, initial stress, electromagnetic coupling, electric field gradient and semiconduction are also discussed. The paper cites 82 references.     

DYNAMIC ANTI-PLANE PROBLEMS OF PIEZOCERAMICS AND APPLICATIONS IN ULTRASONICS——A REVIEW

We review theoretical results on anti-plane motions of polarized ceramics based on the linear theory of piezoelectricity.Solutions to dynamic problems of the propagation of bulk acoustic waves (BAW) and surface acoustic waves (SAW),vibrations of finite bodies,and applications to various piezoelectric devices including piezoelectric waveguides,resonators,mass sensors,fluid sensors,actuators,nondestructive evaluation,power harvesters (generators),transformers,and power transmission through an elastic wall by acoustic waves are discussed.Complications due to material inhomogeneity,initial stress,electromagnetic coupling,electric field gradient and semiconduction are also discussed. The paper cites 82 references.     

GAS WAVE IN FUNCTIONALLY GRADED MAGNETO-ELECTRO-ELASTIC COUPLED STRUCTURE

研究了由均匀磁电弹半空间和功能梯度磁电弹层组成的耦合结构中间隙波的传播特性.假定功能梯度层的材料性能沿厚度方向呈指数变化,且其表面机械自由,但承受两种电磁边界条件.首先推导了频散方程,然后结合数值算例分析了功能梯度层材料性能的梯度变化、厚度及电磁边界条件对相速度的影响,结果对功能梯度磁电弹材料在声波器件中的应用具有参考价值.     

孔隙地层中声波诱导的电磁场测井响应模拟

声电效应测井过程中,当充流体井中发射的声波传播至井外时,在孔隙地层中引起含带电离 子的孔隙流体相对于固体骨架流动,导致电磁场. 在忽略转换电磁场对声场影响的条件下,先采用Biot-Rosenbaum模型计算孔隙地层中的 声场,再计算声波诱导的电场和磁场. 计算结果表明,有伴随纵波波群和横波波群的电磁场、有伴随斯通利波的电磁场,还有微弱的 临界折射电磁波. 计算还表明: 接收器偏离井轴越远,电场和磁场的强度越大; 在井壁处,磁场强度的波形与轴向电场强度的波形相似.     

Acoustomechanical constitutive theory for soft materials

Acoustic wave propagation from surrounding medium into a soft material can generate acoustic radiation stress due to acoustic momentum transfer inside the medium and material, as well as at the interface between the two. To analyze acoustic-induced deformation of soft materials, we establish an acoustomechanical constitutive theory by com-bining the acoustic radiation stress theory and the nonlinear elasticity theory for soft materials. The acoustic radiation stress tensor is formulated by time averaging the momen-tum equation of particle motion, which is then introduced into the nonlinear elasticity constitutive relation to construct the acoustomechanical constitutive theory for soft materials. Considering a specified case of soft material sheet subjected to two counter-propagating acoustic waves, we demonstrate the nonlinear large deformation of the soft material and ana-lyze the interaction between acoustic waves and material deformation under the conditions of total reflection, acoustic transparency, and acoustic mismatch.     

舰艇新型宏观负泊松比效应蜂窝舷侧防护结构

提出一种具有宏观负泊松比效应的新型蜂窝舷侧防护结构,通过对负泊松比效应蜂窝胞元特殊结构构型设计,实现中等弹速下良好抗爆抗冲击性能。利用有限元动力学分析软件,研究鱼雷或导弹水下对舷侧防护结构的撞击侵入和穿透过程,对比研究了不同蜂窝构型、材料、胞元尺寸和胞壁厚度对舷侧结构抗冲击性能的影响。结果表明,蜂窝防护结构具有良好的抗冲击性能,负泊松比蜂窝构型较正泊松比蜂窝构型抗冲击性能更优。     

Broadband acoustic cloaks based on the homogenization of layered materials

We present an analysis of acoustic cloaks based on the homogenization of two fluidlike materials, with an emphasis on periodically layered imperfect cloaks, by removing the singularities of the acoustic parameters required for ideal cloaks. The conditions that material layers should satisfy are systematically analyzed and critically discussed according to their feasibility.