周期性两相层状带隙材料优化模型

研究并建立了一种在给定频段具有带隙性质的周期性两相层状材料的优化设计模型。首先基于层状材料波传播问题的解析解,得到了波数余弦函数与层状材料微结构参数间的解析表达式。进而分析了波数余弦函数与衰减系数的关系,提出了以波数余弦函数的平方在给定频段的积分为弹性波带隙特性的描述指标,以最大化该指标实现在给定频段使弹性波衰减系数最大化的思想,建立了设计在给定频段具有最优带隙性质的周期性两相层状材料优化提法和求解方法。最后,以几个典型的设计算例为对象,得到了给定微结构尺度约束下在特定频段具有最优带隙性质的材料微结构参数,讨论了材料微结构尺寸对最优材料结构参数的影响,以及最优结构参数对材料带隙性质的鲁棒性,验证了本文优化模型的有效性。     

五模材料及其水声调控研究

五模材料是一种具有固体特征的复杂流体,可通过超材料技术由固体材料经过微结构精心设计近似得到。可调的模量各向异性和固体特征赋予五模材料优越的水声调控能力,在降低水下物体目标强度等领域有着重要潜在应用,因此受到了国内外工程和学术界关注。本文就五模材料基本概念、微结构设计、声波调控、加工制备等方面对该类材料的研究进展进行详细介绍,并对五模材料在工程中应用存在的问题进行了讨论,以期为后续相关研究者提供参考。     

五模材料及其水声调控研究

五模材料是一种具有固体特征的复杂流体,可通过超材料技术由固体材料经过微结构精心设计近似得到.可调的模量各向异性和固体特征赋予五模材料优越的水声调控能力,在降低水下物体目标强度等领域有着重要潜在应用,因此受到了国内外工程和学术界关注.本文就五模材料基本概念、微结构设计、声波调控、加工制备等方面对该类材料的研究进展进行详细介绍,并对五模材料在工程中应用存在的问题进行了讨论,以期为后续相关研究者提供参考.     

Pentamode material for underwater acoustic wave control

五模材料是一种具有固体特征的复杂流体,可通过超材料技术由固体材料经过微结构精心设计近似得到.可调的模量各向异性和固体特征赋予五模材料优越的水声调控能力,在降低水下物体目标强度等领域有着重要潜在应用,因此受到了国内外工程和学术界关注.本文就五模材料基本概念、微结构设计、声波调控、加工制备等方面对该类材料的研究进展进行详细介绍,并对五模材料在工程中应用存在的问题进行了讨论,以期为后续相关研究者提供参考.     

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.      

复合材料有效弹性性质分析方法eeeeee

建立复合材料的有效性质与微结构参数的关联,是复合材料优化设计的基础。本文具体针对有效弹性性质,重点介绍了建立有效性的基本思路 和主要分析方法。首先讨论了代表单元的概念,然后分别从复合材料有效性质的普适关系、界限理论和近似方法三个不同的视角较全面的介绍了建立非均质材料有效性质的方法、主要结果和最新进展。重点从构型的概念和微结构分布形式上分析了各种模型间及分析方法之间的联系与差别。最后还就建立非均质材料有效性质中存在的问题和研究热点做了简单的介绍。     

两种五零能模式材料单胞构型及其性能分析

五零能模式材料是一种新型的人工超材料,虽属于弹性材料,但组成其单胞的特殊构型使其宏观静态表现为仅能承载一种受力状态,动态表现为仅能传播一种弹性波。本文首先构造了两种五零能模式材料的单胞构型,其具有不同的弹性特性,其中一种材料可传播弹性膨胀波,另一种可传播弹性剪切波。然后分别采用代表体元法和均匀化法分析这两种单胞的等效弹性模量。五零能模式材料的分析分为两步更直观,开始从单胞桁架模型入手,检验单胞构型是否满足五零能模式的定义,然后分析单胞实体模型,考察单胞构型的结构参数与其等效弹性模量的关系。研究表明对于这种低密度弹性材料的分析,代表体元法更适合。     

轻质高强点阵金属材料的制备及其力学性能强化的研究进展

如何在现有的材料和结构基础上减轻重量并获得更优良的力学性能是材料和力学工作者面临的挑战.概述了国内外轻质点阵金属材料的主要制备技术,评价了点阵金属三明治板的关键焊接技术,并根据各类点阵金属材料的微结构特征分析了其静态力学性能.针对点阵金属材料力学性能强化的关键点进行了系统分析,总结和阐述了点阵金属材料强化研究的关键进展,讨论并展望了轻质材料和结构的研究发展趋势.      

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.      

固-液圆柱掺杂声子晶体中弹性波的缺陷模

利用一维固-液圆柱形掺杂声子晶体中弹性波横向受限的条件,推导出弹性波在一维固-液圆柱形掺杂声子晶体中各种模式满足的关系式,研究了各种模式弹性波的特性。利用转移矩阵计算出弹性波的缺陷模随模式量子数以及圆柱半径的变化规律,得到了一些一维固-液结构圆柱形掺杂声子晶体缺陷模的新特征。研究结果表明,缺陷模的频率和半高宽均与模式量子数和圆柱半径有关。     

The structural performance of the periodic truss

Matrix methods of linear algebra are used to analyse the structural mechanics of the periodic pin-jointed truss by application of Bloch's theorem. Periodic collapse mechanisms and periodic states of self-stress are deduced from the four fundamental subspaces of the kinematic and equilibrium matrix for the periodic structure. The methodology developed is then applied to the Kagome lattice and the triangular-triangular (T-T) lattice. Both periodic collapse mechanisms and collapse mechanisms associated with uniform macroscopic straining are determined. It is found that the T-T lattice possesses only macroscopic strain-producing mechanisms, while the Kagome lattice possesses only periodic mechanisms which do not generate macroscopic strain. Consequently, the Kagome lattice can support all macroscopic stress states. The macroscopic stiffness of the Kagome and T-T trusses is obtained from energy considerations. The paper concludes with a classification of collapse mechanisms for periodic lattices.     

Preliminary study on ductile fracture of imperfect lattice materials

The ductile fracture behavior of two-dimensional imperfect lattice material under dynamic stretching is studied by finite element method using ABAQUS/Explicit code. The simulations are performed with three isotopic lattice materials: the regular hexagonal honeycomb, the Kagome lattice and the regular triangular lattice. All the three lattices are made of an elastic/visco-plastic metal material. Two typical imperfections: vacancy defect and rigid inclusion are introduced separately. The numerical results reveal novel deformation modes and crack growth patterns in the ductile fracture of lattice material. Various crack growth patterns as defined according to their profiles, “X”-type, “Butterfly”-type, “Petal”-type, are observed in different combinations of imperfection type and lattice topology. Crack propagation could induce severe material softening and deduce the plastic dissipation of the lattices. Subsequently, the effects of the strain rate, relative density, microstructure topology, and defect type on the crack growth pattern, the associated macroscopic material softening and the knock-down of total plastic dissipation are investigated.     

Post-buckling analysis of elastic honeycombs subject to in-plane biaxial compression

In this paper, employing the homogenization theory and the microscopic bifurcation condition established by the authors, we discuss which microscopic buckling mode grows in elastic honeycombs subject to in-plane biaxial compression. First, we focus on equi-biaxial compression, under which uniaxial, biaxial and flower-like modes may develop as a result of triple bifurcation. By forcing each of the three modes to develop, and by comparing the internal energies, we show that the flower-like mode grows steadily if macroscopic strain is controlled, while either the uniaxial or biaxial mode develops if macroscopic stress is controlled. Second, by analyzing several cases other than equi-biaxial compression, it is shown that a second bifurcation from either the uniaxial or biaxial mode to the flower-like mode, which is distorted, occurs under biaxial compression in a certain range of biaxial ratio under macroscopic strain control. Finally, the possibility of macroscopic instability under biaxial compression is discussed.     

The damage tolerance of elastic-brittle, two-dimensional isotropic lattices

The fracture toughness of elastic-brittle 2D lattices is determined by the finite element method for three isotropic periodic topologies: the regular hexagonal honeycomb, the Kagome lattice and the regular triangular honeycomb. The dependence of mode I and mode II fracture toughness upon relative density is determined for each lattice, and the fracture envelope is obtained in combined mode I-mode II stress intensity factor space. Analytical estimates are also made for the dependence of mode I and mode II toughness upon relative density. The high nodal connectivity of the triangular grid ensures that it deforms predominantly by stretching of the constituent bars, while the hexagonal honeycomb deforms by bar bending. The Kagome microstructure deforms by bar stretching remote from the crack tip, and by a combination of bar bending and bar stretching within a characteristic elastic deformation zone near the crack tip. This elastic zone reduces the stress concentration at the crack tip in the Kagome lattice and leads to an elevated macroscopic toughness.Predictions are given for the tensile and shear strengths of a centre-cracked panel with microstructure given explicitly by each of the three topologies. The hexagonal and triangular honeycombs are flaw-sensitive, with a strength adequately predicted by linear elastic fracture mechanics (LEFM) for cracks spanning more than a few cells. In contrast, the Kagome microstructure is damage tolerant, and for cracks shorter than a transition length its tensile strength and shear strength are independent of crack length but are somewhat below the unnotched strength. At crack lengths exceeding the transition value, the strength decreases with increasing crack length in accordance with the LEFM estimate. This transition crack length scales with the parameter of bar length divided by relative density of the Kagome grid, and can be an order of magnitude greater than the cell size at low relative densities. Finally, the presence of a boundary layer is noted at the free edge of a crack-free Kagome grid loaded in tension and in shear. Deformation within this boundary layer is by a combination of bar bending and stretching whereas remote from the free edge the Kagome grid deforms by bar stretching (with a negligible contribution from bar bending). The edge boundary layer degrades both the macroscopic stiffness and strength of the Kagome plate. No such boundary layer is evident for the hexagonal and triangular honeycombs.     

一种近场动力学非普通状态理论零能模式控制方法

近场动力学非普通状态理论在采用节点积分时将引起零能模式,造成位移场、应力应变场的数值不稳定性,影响计算精度甚至会导致完全错误的结果,因此必须对其进行控制.目前国际上还没有十分有效的零能模式控制方法.本文针对零能模式问题,提出了一种通用的、高效的控制方法.根据近场动力学线性键理论,确定非均匀变形对应弹性张量的具体形式,考虑了微模量随不同作用键的变化.通过最小位能原理推导出非均匀变形引起的力状态,结合近场动力学力状态,得到稳定力状态表达式.从而建立起基于线性键理论的稳定关联材料模型,并应用于含圆孔平板、三点弯试件线弹性变形和损伤破坏过程模拟.数值结果表明,本文模型能有效抑制近场动力学非普通状态理论中的零能模式现象.与已有零能模式控制方法相比,其物理意义明确,不包含控制参数,避免了复杂的零能模式参数调节过程,提高了计算效率.      

基于虚内键理论的材料多尺度力学模型

宏观上线弹性材料的力学属性只需杨氏模量和泊松比两个相互独立的参量来控制;相应地,微观上也需要两个相互独立的参量来控制.基于这个思想,在原VIB模型中引入了切向键,并提出了VMIB模型.该模型在材料的宏观力学属性与微观虚拟键力学属性之间建立起了一座桥梁.考虑到模型中能量密度函数含有坐标轴方向向量一项,该文对能量密度函数的张量性进行了严格的数学证明,并将VMIB模型初步应用到脆性材料的单轴受压破坏.     

The fracture toughness of planar lattices: Imperfection sensitivity

The imperfection sensitivity of in-plane modulus and fracture toughness is explored for five morphologies of 2D lattice: the isotropic triangular, hexagonal and Kagome lattices, and the orthotropic 0/90^° and ±45^° square lattices. The elastic lattices fail when the maximum local tensile stress at any point attains the tensile strength of the solid. The assumed imperfection comprises a random dispersion of the joint position from that of the perfect lattice. Finite element simulations reveal that the knockdown in stiffness and toughness are sensitive to the type of lattice: the Kagome and square lattices are the most imperfection sensitive. Analytical models are developed for the dependence of modes I and II fracture toughness of the 0/90^° and ±45^° lattices upon relative density. These models explain why the mode II fracture toughness of the 0/90^° lattice has an unusual functional dependence upon relative density.     

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识. 波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行. 本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型. 在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动. 基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系. 结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量. 应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.      

格栅结构力学性能研究进展

格栅复合材料是一种新型轻质高强材料. 综述了格栅复合材料的周期构型特征和格栅结构的制备工艺. 归纳了二维周期格栅材料的等效刚度矩阵计算方法, 比较了不同构型格栅的基本力学性能, 介绍了胞元材料的微极弹性理论和格栅的强度与屈服面计算方法. 探讨了格栅的缺陷及其力学响应, 包括格栅的尺度效应、夹杂缺陷以及裂纹扩展特征, 介绍了波在格栅材料中传播机理的最新研究成果. 根据格栅材料在工程中的应用形式, 分类介绍了格栅板壳结构、格栅加筋板壳结构和格栅夹层结构的结构特点和破坏方式、设计优化准则和实验研究成果. 还归纳了作者所在研究小组近期在碳纤维格栅复合材料的制备、实验研究和理论分析等方面的最新工作进展.      

正交各向异性Kagome蜂窝材料宏观等效力学性能

由于微结构的布局和尺寸的方向性,人造和天然的蜂窝材料都会不同程度呈现各向异性,其中正交各向异性的蜂窝材料较为常见.该文采用桁架模型推导了正交各向异性Kagome单胞蜂窝材料等效刚度和强度的解析表达式,给出了初始屈服函数和近似弹性屈曲强度,讨论了等效刚度与各向异性率和相对密度的关系.等效刚度的解析结果与单胞壁杆采用梁单元建模的刚架模型均匀化结果进行比较,结果令人满意.需要说明的是这类"组合蜂窝"材料具有多功能性和潜在的可设计性,正在受到人们关注.