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。     

复合材料周期性线弹性微结构的拓扑优化设计

提出复合材料周期性线弹性微结构拓扑优化设计的模型，模型1设计具有极值弹性特性的复合材料，模型2设计工况最刚微结构单胞。通过该模型和均匀化技术可以获得优化的微结构单胞，进而改善或者得到最优宏观特性的复合材料。为了便于制造和应用，用胞体材料而不是多相材料来得到复合材料的极值弹性特性和最大刚度。优化结果表明，该模型与数值方法相结合可以有效地实现微结构的拓扑优化设计。     

圆柱夹层多孔材料的主动散热性能研究与优化设计

通过推导不同边界条件的圆柱状夹层多孔材料散热指标,研究了一种特殊结构的圆柱状夹层多孔材料主动散热问题。这种圆柱夹层材料的每一层胞体个数相同,胞体尺寸随着外径的增大而增大,从而保持每一层胞体的相对密度相同。通过计算两种不同换热边界条件下圆柱夹层多孔材料的散热性能,比较并分析了与夹层材料层数相对应的最大散热效率和最优相对密度等指标,并最终得到这些工况下的最优质量。通过分析得到,无论哪种边界条件,正六边形胞体的夹层结构散热性能优于其他构型。同时当为达到某一限定散热效率值时,正六边形胞体结构的质量最小,正六边形构型的多孔材料具有明显的综合性能优势。     

复合材料扭转轴截面微结构拓扑优化设计

提出复合材料扭转轴截面微结构拓扑优化设计新模型，模型的优化目标是获得具有最大宏观剪切特性加权和的单胞形式．通过模型和均匀化方法及优化技术可以获得优化的微结构单胞，进而改善或者得到最优宏观弹性特性的复合材料．为了便于制造和应用，胞体材料用来获得复合材料的极值剪切模量．最后的优化结果表明，该模型连同数值处理技巧可以非常有效地实现微结构的拓扑优化设计．     

简单周期结构波传播主动控制研究

研究了在梁结构插入压电材料的周期结构波传播的一般规律。以梁的弯曲波传播方程的解析解为基础，进一步分析了简单周期结构的波传播的一些固有特性。并在此基础上，以压电材料作为作动器，采用主动控制方法研究了调整结构传播波的带通、带阻的频率范围可行性和有效性。     

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.      

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。     

简单立方点阵结构静态平压性能分析

为了提高简单立方(SC)点阵结构的平压力学性能,在ABAQUS中对SC单胞建立了周期边界约束方程,并通过ESO算法对周期边界条件下的SC单胞进行了拓扑优化设计。随后对优化SC单胞的等效弹性模量进行了求解,发现优化SC单胞的等效弹性模量明显优于传统SC单胞,从外部去除单胞材料可使优化单胞等效压缩模量提高27.14%,从内部去除单胞材料可使单胞等效剪切模量提高46.18%。最后将优化SC单胞从单胞层面扩展到宏观结构中,探究了三类SC点阵结构的静态平压性能。研究表明,周期边界条件与ESO相结合的拓扑优化方法,可使SC结构静态平压时的抵抗力得到明显提升。相比传统SC点阵结构,优化后的SC点阵结构抵抗力提高了20%以上。     

可重构力学超材料的设计与波动特性研究

力学超材料中的弯曲梁双稳态结构由于其主动调控性强且调控精度高等优点近年来受到广泛关注.文章利用中心受压弯曲梁的不稳定性设计了六角型双稳态结构,首先建立了等效弯曲梁模型,基于梁变形微分方程及能量最低原理探明了结构双稳态特性的产生基理,之后利用有限元数值计算研究了结构几何参数对其整体力学性能的影响,分别得到了具备自恢复及双稳态性能的结构几何参数范围,绘制了几何参数与力学性能之间的相图.同时,可重构结构的可控变形能力有助于调整整体的色散特性,利用数值仿真研究了具备双稳态特性的结构在拉伸和压缩两种构型下的色散关系,对比分析了不同结构几何参数及构型转变对结构产生的带隙位置及范围的影响,之后对由不同构型单胞组成的周期性结构进行了频响分析来验证带隙计算的准确性.通过六角型可重构结构的力学特性、色散特性研究及频响分析表明可以通过结构几何参数的设计实现对结构整体性能的主动调控,为可逆向设计的弹性波超材料结构研究分析提供了一条可靠路径.     

压电超构材料及其波动控制研究:现状与展望

弹性波超构材料是一种人为设计的周期结构材料, 因其独特的力学性能而受到广泛的关注, 在军用和民用领域都展现出重要而独特的应用前景. 根据需求主动或被动地调控弹性波超构材料的力学特性, 能够赋予其更强的适用性能. 其调控的方式多种多样, 其中运用压电材料进行调控是一种方便、速度快、精度高、体积小且价格低的调控方式. 文章中首先简要地介绍弹性波超构材料、可调超构材料、压电材料和几种常用的分流电路的基本特性. 然后依据压电材料在弹性波超构材料中应用形式的不同, 将其分为两大类: 第一类中, 压电材料作为主体结构材料或主体结构的一部分组成材料; 第二类中, 压电材料主要以压电弹簧或压电片的形式贴附于主体结构的表面或内嵌在结构中, 作为激励器或/和传感器. 文章主要介绍两种类型弹性波超构材料的研究内容和发展历史, 涉及带隙调控、波导、负折射、超传输、拓扑态、隐身以及外接分流电路等. 最后总结压电弹性波超构材料研究的不足之处并给出相应的未来研究展望.      

基于空间连续尺寸场的动态均匀化方法

摘 要：提出了基于空间连续尺寸场的动态均匀化方法。方法以均匀化理论为基础,将各向同性蜂窝状微孔结构作为材料描述方式,合理的物理描述自然克服了动态优化中的局部模态现象。不同于将微孔结构尺寸变量依附于单元或节点,采用物质点对应的微孔尺寸为设计变量,基于修正过滤公式的形函数,构造了具有空间连续性的尺寸场,从而克服了棋盘格等数值不稳定性问题。基于复合函数求导法则,推导了总刚度阵、总质量阵等敏度表达式。以动态结构响应量最小化或最大化为目标,体积比为约束,建立了动态结构拓扑优化模型,通过二维结构数值算例对理论方法进行验证。结果表明,方法在连续体结构动态拓扑优化设计中具有可行性和有效。     

Frequency-dependent acoustic energy focusing in hexagonal ceramic micro-scaffolds

Acoustic properties of an additive-manufactured SiC scaffold with hexagonal symmetry fabricated by the robocasting method are studied both numerically and experimentally. The numerical analysis is based on the finite element method (FEM) using Bloch boundary conditions. The calculations show both angular and frequency dispersion of the acoustic waves with wavelengths comparable to the spacing between the rods, i.e., on a millimeter scale, indicating interesting acoustic properties in the MHz range. The dispersion character leads to focusing of the energy propagation into the directions of the rods of the hexagonal structure. This is illustrated by modal-based calculations of the propagation of longitudinal and out-of-plane shear wave packets with a dominant wavelength. The experimental analysis consists of two steps, the measurement of the resonant spectrum and shear wave propagation character. The measured resonant spectrum is in good agreement with the one calculated using numerically obtained low-frequency properties of the structure, also showing the quality of the overall manufactured structure. The time-domain measurement shows significant changes in the energy propagation between low and high frequencies, as predicted by FEM calculations.     

Numerical evaluation of the thermomechanical effective properties of a functionally graded material using the homogenization method

When the stresses of the functionally graded materials (FGMs) are discussed under thermal and/or mechanical loading conditions, the different thermomechanical effective properties are needed. For the steady state thermal analyses, these properties include the Young’s modulus, Poisson’s ratio, thermal expansion coefficient and thermal conductivity. For the transient analyses of the heat conduction problem, on the other hand, the density and heat capacity should be added to the aforementioned properties. The homogenization method (HM) based on the finite element method (FEM) is used as it has advantages, such as it is appropriate for estimating the effective properties of composites with a given periodic fiber distribution and complicated geometries. For a periodic composite structure, it is not necessary to study the whole structure but only a representative volume element (RVE) or a unit cell (UC). As the overall behavior of composites depends on the arrangement of the reinforcements, the corresponding UCs of two different arrangements of the fibers are analyzed; namely the square and hexagonal arrangements. It is found that the square arrangement predicts higher values of the Young’s modulus than the hexagonal one but with small difference. In order to verify the computed values of the properties, the results are compared with previous experimental measurements and results of analytical and numerical methods, and good agreement is achieved.     

Investigation of flexural wave band gaps in a locally resonant metamaterial with plate-like resonators

This paper presents an investigation of flexural wave band gaps in locally resonant metamaterials (LRMs). An LRM is a periodic structure consisting of repeated unit cells containing a local resonator. Due to the local resonance occurring in the unit cell, the LRM induces a band gap (a frequency band in which no waves propagate). Discrete-like or beam-like resonators have generally been used to realise LRMs in previous research. By extending the beam-like resonator configuration, this paper studies LRMs with a plate-like resonator to exploit its advantages with respect to large design freedom. In order to understand flexural wave band gaps in an LRM with plate-like resonators, parametric studies are conducted with the development of a finite element model. Further, the influences of the plate-like resonator design parameters on flexural wave band gaps are investigated. Based on the parametric studies, the rules governing band gap properties are determined. Finally, tailoring flexural wave band gaps by adjusting the parameters is discussed.     

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.      

Theoretical and numerical investigation of HF elastic wave propagation in two-dimensional periodic beam lattices

The elastic wave propagation phenomena in two-dimensional periodic beam lattices are studied by using the Bloch wave transform. The numerical modeling is applied to the hexagonal and the rectangular beam lattices, in which, both the in-plane （with respect to the lattice plane） and out-of-plane waves are considered. The dispersion relations are obtained by calculating the Bloch eigenfrequencies and eigenmodes. The frequency bandgaps are observed and the influence of the elastic and geometric properties of the primitive cell on the bandgaps is studied. By analyzing the phase and the group velocities of the Bloch wave modes, the anisotropic behaviors and the dispersive characteristics of the hexagonal beam lattice with respect to the wave prop- agation are highlighted in high frequency domains. One im- portant result presented herein is the comparison between the first Bloch wave modes to the membrane and bend- ing/transverse shear wave modes of the classical equivalent homogenized orthotropic plate model of the hexagonal beam lattice. It is shown that, in low frequency ranges, the homog- enized plate model can correctly represent both the in-plane and out-of-plane dynamic behaviors of the beam lattice, its frequency validity domain can be precisely evaluated thanks to the Bloch modal analysis. As another important and original result, we have highlighted the existence of the retro- propagating Bloch wave modes with a negative group veloc- ity, and of the corresponding ＂retro-propagating＂ frequency bands.     

成层式防护结构中分散层研究综述

成层式防护结构通常由伪装层、遮弹层、分散层和主体结构组成,现已被广泛应用于地面、浅埋以及坑道口部的防御工事中。其中分散层作为降低侵彻后爆炸毁伤效应的功能单元,其作用机理主要包括:借助波阻抗失配效应以降低向下部结构传播的能量占比、延长应力波传播路径;利用分层界面产生面波以改善荷载集中状态;通过基体材料不可逆塑性破坏以吸收耗散冲击波能量;增大结构阻尼以减轻主体结构震动效应。开展分散层的相关研究,对提高工程整体防护水平具有重要的现实意义。基于此,从分散层材料与结构型式两个方面较为系统地介绍了国内外成层式防护结构中分散层的研究现状,分析了分散层的结构及物性参数对其防护效能的影响,提出分散层选型及设计需关切的几点问题,并对目前分散层研究中存在的问题进行了探讨与展望,以期为今后分散层的研究发展提供参考。