桁架材料弹性波带隙特性分析

研究了弹性波在周期性桁架材料中的传播特性,并根据桁架材料的周期性特点和杆纵向振动模态,给出了基于单胞的桁架材料弹性波色散(dispersion)方程。分析了1维和2维问题的色散特性,研究了相应的弹性波带隙性质;以CAE分析软件为工具平台对桁架材料的带隙特性进行了数值仿真实验,给出了基于谐响应和特征频率变化特征的仿真实验方法。仿真实验确认了所分析的桁架材料的带隙特性,同时说明所用的仿真实验方法是可行的。     

准零刚度驱动式压电低频振动能量采集方法

如何高效且经济环保地为数以万计的传感器网络节点供电,是物联网快速发展和大范围应用的瓶颈性难题.将振动能转换为电能以实现传感器自供电是物联网传感器网络节点供能的潜在方案.但是,环境振动中低频成分占比较大,而传统振动能量采集方法较难实现低频(<10 Hz)振动能量的高效转化,这限制了振动能量采集技术在物联网领域的大范围应用.文章提出了一种准零刚度驱动式压电振动能量采集装置,可将环境、人体及部分机械设备的低频振动能量高效地转化为电能.首先利用能量法得到压电俘能单元的机电耦合方程,并用谐波平衡法获得系统动力学及电学响应的解析表达式,同时对比了数值解与解析表达式的结果;进一步探究了阻尼比、激励幅值等参数对动力学响应及电学输出的影响.最后加工制备了准零刚度驱动式压电振动能量采集装置样机,搭建了实验平台,测试了系统的动力学响应与电学输出,验证了理论结果的正确性.研究结果显示当频率为2.5 Hz时,准零刚度驱动式压电振动能量采集装置中单个能量转化单元的最大峰值电压达到25 V.文章提出的准零刚度压电能量采集装置有望克服传统共振型压电能量采集装置能量采集频带依赖于能量采集系统固有频率以及多稳态能量...     

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.     

超弹性材料的不稳定性问题

超弹性材料是一类性能独特、不可替代且有广泛工程应用的高分子材料,对其独特的材料不稳定性问题的研究极大地推动了连续介质力学有限变形理论和超弹性理论的发展.综述了超弹性材料中的材料不稳定性问题的研究成果和最新进展,包括Rivlin立方块问题、薄壁球壳和薄壁圆筒的内压膨胀问题、圆柱的扭转问题、块体的表面不稳定性问题、空穴的生成、增长和闭合问题等.阐述了这类材料中各类非线性不稳定性问题的特点、问题的求解、主要结果及今后进一步的研究方向等.      

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...     

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.      

超弹性材料中空穴的动态生成

本文在有限变形动力学的框架下研究了一种不可压超弹性材料圆柱体在表面突加均布拉伸载荷作用下空穴的动态生成问题.除一个相应于均匀变形状态的平凡解外,当外加载荷超过其临界值时,柱体内部还有空穴的突然生成,得到了空穴半径和表面载荷之间的一个精确的微分关系,证明了空穴随时间的演化是非线性的周期性振动.给出了空穴振动的相图、最大振幅、临界载荷及近似的周期.     

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。     

含有功能梯度材料的一维声子晶体弹性波带隙研究

将功能梯度材料引入声子晶体之中,构成由均匀材料和功能梯度材料交替复合而成的材料常数宏观上呈连续变化的一维声子晶体结构.应用平面波展开法研究了该结构中存在的弹性波带隙特征,并得到前四阶归一化频率带隙结构随材料长度和功能梯度材料指数因子变化的关系图.通过对其带隙结构与不含功能梯度材料的常规声子晶体带隙结构比较可知:功能梯度材料使原有带隙结构发生变化,含有功能梯度材料的声子晶体较常规声子晶体前两阶带隙归一化起始频率升高.这些结果扩宽了功能梯度材料的使用范围,提升了声子晶体工程可靠性,为含有功能梯度材料的声子晶体在工程实际中的应用提供了理论依据和指导.     

超材料混凝土的带隙特征及对冲击波的衰减效应

借鉴超材料的研究思路,在混凝土中引入谐振骨料,设计出具有消波特性的超材料混凝土。首先,通过结构动力学方法计算超材料混凝土的有效质量,从而建立了超材料混凝土带隙起始频率及截止频率的简化模型,并给出了带隙起始频率及截止频率的理论表达式。然后,分析了涂层弹性模量、芯柱密度、基体密度、骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比对超材料混凝土带隙特征的影响。最后,采用数值模拟的方法,对比了超材料混凝土和普通混凝土对冲击波的衰减效应。研究结果表明:(1)低弹性模量涂层能够形成低频带隙,但带隙宽度较窄,而高弹性模量涂层能够形成较宽的带隙,但带隙起始频率较高;(2)通过选择高密度芯柱材料和低密度基体材料,可以得到低频、宽带隙特征;(3)通过增大骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比可以实现扩宽带隙的目的;(4)与普通混凝土相比,超材料混凝土对冲击波具有更好的衰减作用。     

弹性波超材料板中拓扑交界态与缺陷保护的主动控制研究

在波动周期结构中,六边形单胞是常见的具有动态拓扑性质的重复单元。本文设计了具有主动控制特性的六边形单胞,通过粘贴压电片并连接负电容电路对材料参数进行调控,实现了弯曲波拓扑交界态传输与缺陷保护特性的主动控制,并发现了该保护行为具有方向选择特性。上述工作将物理学与声学中拓扑态概念引入到弹性波超材料板中,从而实现了其中弯曲波拓扑传输的主动控制功能。     

弹性波与力学超材料设计与应用专题序

超材料是一类由人工微结构单元构筑的复合材料, 具有天然材料所不具备的超常物理性质, 经过多年发展, 超材料已经从电磁领域逐渐拓展到声学、力学、热学、材料学等诸多学科领域, 国内外学者在概念与内涵、理论与设计、制备与应用等各方面都开展了深入探究与应用研究, 产生了深远影响. 相较于传统均质材料的半经验式研究, 超材料从微结构基元精确设计出发, 是未来先进功能材料的创新研究新范式. 弹性波与力学超材料是整个超材料家族的重要组成部分, 近年来受到国内外学者的广泛关注, 已经在结构设计、数学模型建立以及应用等方面取得了丰硕的研究成果.      

海岸波浪场模型研究进展

从建模原理、波浪在近岸区域传播的众多机制、模型的类别、优势、局限性以及模型在未来的发展趋势等方面,综述了在海岸工程实践中广泛运用的以下两大类海岸波浪场预测模型的最新研究进展:(1)能量平衡模型.它一般用来预测海洋深水波候,已发展到相当完善的阶段,例如,最为著名的WAM3G模型.这种模型在海岸工程中的作用就在于可以模拟施加在波浪上的随时间变化的风场效应.(2)质量、动量守恒模型.它在海岸工程中应用最为普遍,并且内容丰富,数值技巧多样.目前包含了以下代表性的模型:缓坡方程、抛物型方程、非线性浅水方程、高阶Boussinesq型方程、Green-Naghdi理论.      

复杂界面(界面层)条件下的弹性波传播问题研究综述

界面（界面层）广泛存在于各种材料和结构中,并具有千差万别的形态．各种界面条件下的波动问题有着重要的理论与实际意义．综述了完好粘接界面、弱连接界面（或界面层）以及接触界面等复杂界面模型下弹性波传播问题的研究现状,主要集中于界面模型的建立、波传播问题的研究方法及主要结论．并提出了值得进一步研究的问题．     

弹性波绕任意形状界面孔的散射

求解了弹性波绕任意形状界面孔的散射问题.通过入射波、反射波或折射波及孔的散射波场的叠加,得到了界面孔在SH波绕射下的总波场.总波场波函数的级数项待定系数可采用边界配点法来确定,该法不受边界正交性的限制,能够适用于任意形状的边界.最后,对界面椭圆孔进行了实例计算,得到了椭圆孔边的动应力集中系数.     

黏弹性流体纯弹性不稳定现象研究综述

近年来粘弹性流体流动的弹性不稳定性现象引起了越来越多学者的关注与研究,与牛顿流体惯性不稳定现象不同,这种现象是由粘弹性流体流动中的弹性应力和粘性力之间相互作用,使得在较低的雷诺数下即可产生复杂的流动分岔不稳定现象。当流动中的弹性数（表现为 Deborah 数 De 与Reynolds 数Re 的比值,其中 De 数定义为粘弹性流体的松弛时间和流动的特征时间的比值,Re 数表征流动中惯性力与粘性力之比）较大时,在 Re<相似文献   

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.      

铰接圆柱体在二色波中的二阶低频力

考虑了铰接圆柱体的响应，给出了二色波中铰接在海底的圆柱体的二阶低频力。在未求出二阶速度势的情况下，利用其定解条件给出了二阶速度势的影响，给出了二阶低频力的解析表示式。二阶低频力主要由一阶速度势决定。二阶入射速度势以及圆柱的二阶响应对二阶低频力的影响可以忽略。     

各向异性介质中弹性波的数值模拟

提出了一种非均匀各向异性介质中弹性波传播的数值模拟算法.该方法可以灵活地运用于具有任意地表形状、内部孔洞、固液边界和不规则内部交界面的介质情况,另外,该方法自然满足复杂几何边界的自由表面条件.这种基于三角形和四边形离散网格的算法使用的是围绕每个节点的积分平衡方程,而不是其它有限差分法中使用的各个节点满足的弹性动力学的微分方程.该文工作是非均匀各向同性介质中弹性波传播格子法研究的继续.除了研究各向异性介质中波的传播以外,还给出了一种能够省时的四边形网格的格子法.