基于人工神经网络的声子晶体逆向设计

声子晶体是一种人工周期性复合材料, 其带隙特性使其在减振、隔声、滤波和声学功能器件等领域具有潜在的应用价值. 如何准确操纵声波和机械波是声子晶体设计的主要挑战. 现有设计方法是基于对结构几何参数与材料参数的分析调整使其匹配特定的应用特性, 设计效率不高且无法达到最佳性能. 为此, 本文以一维层状声子晶体为例, 提出了一种基于Softmax逻辑回归和多任务学习的人工神经网络声子晶体逆向设计方法, 其中, Softmax逻辑回归实现分层结构各区域材料种类的选择, 通过多任务学习确定各区域材料的分布, 从而, 将声子晶体逆向设计问题转化为对单位胞元拓扑结构多组分材料的分类问题. 首先, 随机生成大量声子晶体拓扑结构样本; 然后, 采用有限元法进行并行计算得到所有样本的带隙分布; 接着, 通过神经网络建立带隙分布和拓扑结构之间的映射关系; 最后, 利用训练好的神经网络设计具有目标带隙特性的声子晶体, 即以目标带隙作为神经网络的输入, 网络将直接输出对应的声子晶体单元胞元拓扑结构. 算例表明本方法可根据应用需求快速高效地得到具有目标带隙的一维声子晶体. 该方法为声子晶体的逆向设计提供了一种新颖思路.      

二维声子晶体微腔能带结构的有限元分析与设计

本文基于ABAQUS建立了二维声子晶体体波能带结构的有限元计算方法.该方法首先利用周期性边界条件和Bloch定理,将周期结构的有限元离散特征方程化归到一个周期单胞内的复系数特征方程,然后将其分为实部和虚部两组方程,并在周期单胞边界上应用Bloch定理,求解得到的实数特征方程,获得频散曲线.与已有计算方法相比,该方法在适用性、计算速度、精确度和收敛性等方面具有明显的优越性.在此基础上使用发展的有限元方法分析研究了不同形状的声子晶体微腔的能带结构特性.结果表明这些晶体结构对于特定频率的声波可以将其限制在声子晶体微腔内,在一定环境下有着较好的吸声降噪功能.     

考虑可制造性约束的声子晶体多目标拓扑优化

对声子晶体进行拓扑优化可得到具有目标带隙特性的声子晶体结构, 在减振、隔声等领域具有潜在应用价值. 然而, 优化结果常会出现孤立材料单元而导致的制造困难问题. 针对该问题, 本文提出协同考虑带隙性能和可制造性约束的二维多相声子晶体多目标拓扑优化方法. 以在特定频率段带隙最宽和结构质量最小为优化目标, 在对微结构进行连通性分析的基础上, 引入考虑可制造性因素的附加约束, 并利用有限元法和具有精英选择策略的非支配排序遗传算法对该优化模型进行数值求解. 通过数值算例验证了本文模型及方法的合理性和有效性. 结果表明, 附加可制造性约束的拓扑优化模型可有效避免二维声子晶体构型中出现孤立材料单元的情况, 优化结果在满足带隙性能预期指标的同时也可兼顾到实际可制造性要求. 与仅仅考虑带隙性能的单目标优化结果相比, 本文提出的同时兼顾带隙性能和可制造因素的多目标优化模型可以针对实际应用和制造条件, 实现不同目标间的平衡, 具有显著优势和良好的应用前景.      

力电耦合偏场理论：回顾、比较与展望

力电耦合固体的非线性连续介质理论最早出现于20世纪50年代,而成熟于70年代.80年代末、90年代初则因智能材料与结构的兴起而又得到了新的发展,引起了较为广泛的关注,但应用上以线性分析为主.21世纪初以来,力电耦合软材料因其潜在的应用前景激发了众多的研究兴趣.由于牵涉到大变形,必须在一般非线性连续介质力学的框架内进行问题的建模和开展定量分析,因此力电耦合固体的非线性理论重新得到了大家的重视,出现了很多新版本.本文旨在阐述力电耦合固体非线性连续介质理论一般框架的基础上,采用3个构型的表述方式,较为详细地给出拉格朗日描述和更新拉格朗日描述下的力电耦合偏场理论,甄别不同理论表述版本之间的异同,以廓清目前文献中的混乱现象,为今后的相关研究提供理论指导.最后,本文讨论和展望了力电耦合偏场理论在不同研究领域的若干研究重点及其未来发展趋势.     

Band structure calculation of scalar waves in two-dimensional phononic crystals based on generalized multipole technique

A multiple monopole （or multipole） method based on the generalized mul- tipole technique （GMT） is proposed to calculate the band structures of scalar waves in two-dimensional phononic crystals which are composed of arbitrarily shaped cylinders embedded in a host medium. In order to find the eigenvalues of the problem, besides the sources used to expand the wave field, an extra monopole source is introduced which acts as the external excitation. By varying the frequency of the excitation, the eigenvalues can be localized as the extreme points of an appropriately chosen function. By sweeping the frequency range of interest and sweeping the boundary of the irreducible first Brillouin zone, the band structure is obtained. Some numerical examples are presented to validate the proposed method.     

损伤层对弹性波的反射与透射

本文研究了具有随机分布币形裂纹的损伤层对弹性波的反射与透射。分析了低频及裂纹密度不太高时损伤层的损伤状态对反射波与透射波的影响,为定量无损检测技术提供了一个简单的理论模型。     

压电界面裂纹裂尖强度因子的显式计算公式

对常见横观各向同性压电材料(TIP)中界面裂纹的裂纹面与压电材料的极化方向成任意夹角的一般情况进行了研究,通过推导得到了计算裂尖强度因子的显式外推公式,同时给出了裂纹面与极化方向垂直的典型情况下的外推公式.这些显式计算公式为常见数值方法如有限元法及边界元法在压电材料断裂力学中的应用提供了便利.     

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.