固-固掺杂结构声子晶体中弹性波的缺陷模

为了研究弹性波在固-固掺杂结构声子晶体中缺陷模的特性,推导出弹性波斜入射固-固掺杂结构声子晶体的转移矩阵。利用它计算了固-固掺杂结构声子晶体中弹性波的透射系数,得到由于掺杂在禁带的中间出现了多条缺陷模透射峰带,缺陷模透射峰带随杂质厚度的变化呈周期性地出现,在同一缺陷模透射峰带上缺陷模的频率随杂质厚度增加近似呈线性减少。缺陷模的这些特征可以作为设计声子晶体滤波器的理论依据。     

镜像对称准周期固/液声子晶体的传输特性

以准周期Fibonacci序列为基础,构建了准周期镜像对称结构的一维固液介质声子晶体。利用转移矩阵法,研究了弹性波在所构建的声子晶体中的透射特性。结果表明:弹性波正入射时,转移矩阵与变介质的特性阻抗有关,由于声子晶体结构的局域失谐,在透射谱的中心频率附近对称出现谐振模;对于Q7序列的声子晶体,带隙内谐振模带宽小于10Hz,能实现超窄带声滤波;弹性波斜入射时,带隙向高频区移动;入射角为5°时,谐振模也向高频移动;入射角为10°时,由于谐振的增强,声子晶体结构对频率的选择性提高,使带隙内的谐振模消失。     

蜂窝材料的弹性波传播特性

通过研究蜂窝材料的弹性波频散关系,分析了其弹性波传播特性. 采用基于小波理论的分析方法,将材料参数和位移均展开为双正交周期小波基函数的形式,利用Bloch定理将波动方程转化为特征值方程,求解该方程得到3种典型结构------正方、三角与六角排列的铝(Al)和聚丙烯(PP)蜂窝材料的频散关系,并进行了比较分析. 结果显示:结构形式的不同显著地影响其波动特性,而制作材料的不同则没有影响;3种结构形式都不存在完全带隙,但正方和三角形结构在一定的传播方向范围内存在方向带隙,而六角形结构则在任何方向都不存在方向带隙;与正方结构相比,三角结构在相同孔隙率下,在更广的传播方向内和更低的频率下,能产生较宽的方向带隙.      

包裹层结构对轻质声子晶体低频振动带隙的影响

基于局域共振机理提出新型轻质声子晶体包裹层结构设计方法。借助有限元法,计算新型声子晶体能带结构、本征模态,分析包裹层总缺口度数一定时不同包裹层缺口数量及布置位置对第一完全带隙截止频率的影响;设计包裹层与散射体连接形式为线连接与点连接两种新型声子晶体模型,分别得到起始频率为37.4Hz及19.0Hz的第一完全带隙,分析第一完全带隙起始频率处散射体本征模态,揭示新型声子晶体极低第一完全带隙起始频率产生机理;进而,与传统面连接型声子晶体通过增加散射体质量降低第一完全带隙起始频率的方法对比。研究结果表明,包裹层总缺口度数一定时,采用缺口数量更多且缺口位置距离连接短板更大的包裹层布置形式能得到更宽的第一完全带隙;提出的包裹层与散射体线连接与点连接型声子晶体在获得极低第一完全带隙起始频率的同时,显著降低了声子晶体质量,突破了传统声子晶体通过增加散射体质量降低第一完全带隙起始频率的限制,为轻质声子晶体获得极低局域共振带隙起始频率的研究设计提供了参考。     

力-压电混合弹性超材料梁的带隙调节特性

为实现宽带低频减振,本文将力振子和串联负电容的压电分流振子分别置于基体上下两侧,设计了混合弹性超材料梁。基于传递矩阵法建立了理论模型,用于计算混合弹性超材料梁的频散关系和动态有效参数,通过有限元法进行了验证。分别采用理论方法和数值方法研究了电路元件参数对混合弹性超材料梁的带隙和振动衰减特性的调节机理,通过与单振子超材料的带隙对比,分析了两种振子间的相互影响。结果表明：电路元件参数主要影响压电分流振子产生的带隙的位置、宽度及带隙内的振动衰减程度;两种振子的带隙重叠区域不一定为通带;两种振子会因为负动态有效刚度范围靠近而相互影响。本研究将为此类超材料的设计提供参考依据。     

高温真实气体底部流动的NS方程数值计算

本文数值模拟了高超音速飞行时钝锥的底部流动。采用轴对称NS方程并考虑真实气体效应。湍流模型采用修正的Baldwin-Lomax涡粘性代数模型,数值方法空间离散对流项采用显式NND格式,粘性项采用中心差。时间离散采用三阶的龙格-库塔法。真实气体模型采用考虑七种组分四种反应的汉森模型。给出了底部流场的压力和温度分布及各组分的浓度分布。可以看出在近底部区域高速流-绕过拐角就产生一回流旋涡区。由于温度变化很大,气体的热力学特性受气体离解、复合和振动能激发的影响。所以整个流动过程变得十分复杂。     

分级周期梁结构的振动带隙特性优化研究

针对分级周期梁结构,进行了振动带隙特性优化研究,以期提高结构的减振性能。采用谱元法计算分级周期梁的频响曲线,并结合传递矩阵法计算结构的色散关系,将两种方法相结合来研究结构的振动带隙特性。构建带隙占比函数作为优化目标函数,将单胞结构的尺寸作为优化参数进行带隙特性优化。经过优化,使得在研究频段内带隙特性大大提高。通过与有限元法和振动实验相对比,验证了谱元法计算和优化结果的正确性。研究内容对于提高周期结构的振动带隙特性和减振应用提供有益参考。     

圆管型局域共振声子晶体三维构型振动带隙研究

采用多重多级子结构方法计算具有一定刚度的圆管型局域共振声子晶体三维构型振动带隙特性。考察包裹方向对带隙特性的影响,并对第一带隙上下边界点的单胞振动形式进行分析。结果表明,两种包裹形式都可以得到较低较宽的第一带隙,并且带隙特性相似,因而其周期结构都可以大幅减弱带隙范围内弹性波的传播。但两种构型带隙上下边界点对应振动形式不同,此外带隙特性还受单胞尺寸的影响。通过给定评价指标得到相关材料参数与带隙特性关系的相图,由此分析包裹层材料属性对带隙特性的影响。     

一维固液介质准周期结构声子晶体的传输特性

针对一维固液介质的Fibonacci序列准周期声子晶体,利用传输矩阵法研究了弹性纵波在准周期结构中的透射特性。计算结果表明：准周期结构具有比周期结构更宽的禁带,并伴随带边谐振;序列越高,带边谐振越强,并在较低序列的禁带中心出现谐振模;弹性波以0.1rad斜入射时,透射谱向高频方向移动;当固液介质波阻抗接近时,出现等间距的谐振模,同时禁带消失。     

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.      

二维格栅材料带隙特性分析与设计

周期性材料或结构常表现出阻断特定频段的波传播的特异性质(带隙性质),通过合理设计可以调整带隙的位置和带宽等, 带隙材料在滤波、导波、隔音、隔振等方面有巨大的应用潜力. 据此背景, 研究了材料微结构构型对带隙性质的影响. 分析和比较了三角形、米字形、四边形、六边形、反六边形、Kagome形和钻石形等7种典型拓扑构形格栅材料的带隙性质与弹性波在其中的局部衰减特性, 提出了可表征特定带隙性质的目标函数, 从而对不同构型的材料进行选优; 进一步得到并数值验证了材料微结构中几何参数对带隙性质的影响规律, 为通过改变构型几何参数设计具有特定性质的带隙材料提供参考.      

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。     

基于材料相变的声子晶体带隙可调结构设计与性能分析

提出一种基于材料相变的穿孔型带隙可调声子晶体结构.其结构形式为含缝隙的形状记忆合金和环氧树脂的组合体,通过温度变化诱发相变引起的形状记忆合金材料性质的变化,实现声子晶体的带隙变化;通过合理布置缝隙与形状记忆合金相变材料的位置,实现声子晶体带隙性质的可调设计.基于有限元方法,建立了可调声子晶体的分析模型,分析了形状记忆合金的填充分数以及相变等对带隙性能的影响规律.分析结果表明,通过合理设计微结构形式,材料相变可实现带隙位置和宽度的调节,同时可实现特定频段内带隙的有无.     

声光子晶体带隙特性与声光耦合作用研究综述

声光子晶体是一种同时具有光子和声子带隙的周期性结构.声光子晶体为同时控制电磁波和弹性波的传播提供了一个系统的平台,并在光学、声学及声光多功能器件、腔光力学等领域展现了十分广阔的应用前景.论文首先介绍了声光子晶体的基本概念,包括声光子晶体的材料、空间周期分类、能带结构的计算方法等;阐述了不同体系下声光子晶体双重带隙的特性,以及拓扑优化方法在声光子晶体带隙优化方面的应用;然后简要介绍了腔光力学,以及计算声光耦合作用的准静态方法和光力耦合系数方法,并针对当前各种声光子晶体结构中声光耦合作用的研究进行了阐述;还进一步介绍了声光子晶体波导和传感器的相关研究;最后,基于当前声光子晶体的研究进展对未来的研究方向进行了展望,其中涉及到增强声光子晶体谐振腔的声光相互作用、三维声光子晶体的研究、声光超构材料的设计、声光子晶体器件设计与应用等.     

一维固-液掺杂声子晶体缺陷模的机理研究

建立了一维固-液掺杂声子晶体的谐振腔模型,利用谐振腔的共振条件推导出了缺陷模频率满足的解析公式,从理论上解释了产生一维固-液掺杂声子晶体缺陷模的物理机理.利用频率的解析公式研究了缺陷模的频率随入射角、杂质厚度、杂质波速的变化规律.结果表明:缺陷模的频率随入射角和杂质波速的增加而增加,缺陷模的频率随杂质厚度的增加而减少,圆满地解释了一维固-液掺杂声子晶体缺陷模的变化规律.在此基础上并与转移矩阵法的计算结果进行了比较,其结果吻合.     

天线座驱动系统刚柔耦合动力学分析

为了分析天线座驱动系统的动力学特性,建立了一种新的多级齿轮传动系统动力学模 型------刚柔耦合模型,不仅考虑了轴的变形、轴承的支撑作用,而且采用了先进的轮齿接触模 型,克服了采用多体动力学方法研究齿轮系统动力学时存在的诸如忽略轴承的支撑作用、轴 的变形等缺陷. 动力学分析的计算结果和理论分析结果相一致,较准确地反映了该系统的齿 轮动力特性,对工程设计及性能校核具有指导意义.     

新型声子晶体全反射贯穿效应的滤波特性

利用转移矩阵法计算了弹性波在大于全反射角入射一维声子晶体的透射率,结果发现：在入射角岛为0．33rad、0．4rad、0．9rad、1．3rad附近都出现了明显的透射峰带,即在透射波中出现了全反射贯穿效应;其中在0．4rad附近的这个透射峰带的频率范围小、峰值细密,可以利用它来实现多通道滤波。同时研究了贯穿效应随介质厚度和周期数的变化特征,发现贯穿效应具有优良的滤波特性。利用这些特性可以设计出结构简单、控制方便的新型一维声子晶体的滤波器。     

最优二维固/固声子晶体带隙特性研究

声子晶体是一种具有弹性波带隙特性的周期性复合材料,其带隙特性受单胞拓扑形状的影响。通过拓扑优化技术,能够突破传统设计方法的局限,实现对声子晶体的主动设计。本文基于遗传算法和改进的平面波展开法,通过两阶段的优化过程,得到具有最大相对带隙的二维铜/环氧树脂声子晶体结构,并进一步研究不同带隙最优声子晶体单胞拓扑形状及其带隙特性。结果表明,利用所开发的带隙优化程序,能够得到满足带隙要求的具有全局最优的声子晶体结构;声子晶体最低带隙所对应的单胞是简单晶格结构,其散射体形状简单,而且对应的带隙频率最低,相对带隙最大,对于隔音减振最有实用价值。     

铝合金中PLC变形带的轨迹观察和研究

本文采用了动态数字散斑干涉法 (DSPI) ,对恒定加载应变率下铝合金试件的拉伸实验作了直接地观察和研究。实验记录了三种类型的PLC(Portevin LeChatelier)变形带 (类型A、B、C)在试件表面的产生过程 ;追踪了它们产生和传播的空间轨迹 ;探讨了在室温下出现不同类型PLC带所必需的加载应变率范围 (当 ε≥ 5× 1 0 - 4 s- 1 时 ,变形过程中以A类型的PLC带为主 ;当 ε <3× 1 0 - 5s- 1 时 ,则大量出现C类型的PLC变形带 ;而B类型的带将出现于这两者之间 ) ;并对”锯齿形”应力曲线中应力下掉的幅值进行了统计研究。同时 ,针对连续传播的A类型带和跳动传播的B类型带 ,得到了变形带的传播速度在变形过程中的递减演化趋势。实验还观察到随着塑性变形量的增加 ,变形带的倾斜方向会发生对称迁移现象。A、B带在拉伸试验过半时迁移现象发生 ,而C带在拉伸试验的初期即频繁出现     

翼型与风洞侧壁交接角区分离流动研究

运用Navier-Stokes数值模拟对翼型模型试验时风洞侧壁和翼型模型结合部拐角区黏型分离流动进行模拟,并将简单代数湍流模型扩展用于机翼/风洞侧壁拐角区流动.计算格式在空间上采用中心有限体积离散,在时间上采用多步Runge-Kutta时间步长格式进行积分.结果显示,在翼型模型风洞试验时,模型/侧壁拐角区、模型表面、侧壁表面和模型后形成复杂的黏性分离流动和二次分离,对实验结果产生很大的影响.