左手材料设计及透明现象研究进展

左手材料具有负的介电常数, 磁导率和折射率,它与电磁波相互作用的规律与传统材料有本质的区别.首先讨论了金属线点阵结构实现负介电常数和开口谐振环点阵结构实现负磁导率的内在机理,综述了目前实现左手材料的设计与制备方法,讨论了左手材料研究中能量如何定义以满足守恒律, 左手材料的宏观等效参数的确定,以及影响左手材料负折射相对频带带宽的因素。最后对左手材料在光子隧道效应和电磁波透明方面的应用进行了介绍,重点讨论了利用力学中的``中性夹杂'概念对电磁波透明的设计.论文还探讨了声波左手材料的概念和物理意义,介绍了用声波左手材料实现声波透明的方法.      

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.      

声学/弹性相位梯度超表面设计: 原理、功能基元、可调和编码

声学/弹性超表面是一类亚波长厚度的二维超材料, 具有很强的声波/弹性波操控能力, 在声学成像、通信、隐身、伪装、振动/噪声控制、能量收集、无损检测等领域具有潜在的应用. 本文主要综述了声学/弹性相位梯度超表面的最新发展, 包括设计原理、功能基元设计、波场操控及其应用、可调超表面设计, 以及新兴的数字编码超表面. 最后, 展望了该领域未来的研究方向.      

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。     

三浦折纸超材料结构数字化设计与模型验证

折纸结构在航空航天、柔性电子、汽车船舶和建筑结构等领域具有较好的应用前景. 三浦折纸单元沿三向拓展可构建出三浦折纸超材料结构, 具有高孔隙、可自锁、平面折展、负泊松比、形态可控等特性. 为了便于生成折纸超材料结构的复杂三维模型、推广应用于缓冲吸能结构及可展结构, 本文利用Matlab和Grasshopper软件, 发展了三浦折纸超材料结构的数字化设计方法, 利用数字化建模及3D打印技术, 实现了零厚度及非零厚度三维折纸模型的统一建模, 并开展了物理模型验证分析, 探讨了3D打印制作折纸超材料结构模型的优缺点; 推导了三浦折纸超材料的折痕长度、相对密度、折叠率等特性与几何参数的关系, 利用Abaqus/Explicit软件开展了结构准静态压缩过程分析与验证, 揭示相对密度对结构吸能指标的影响规律. 研究结果表明, 折纸超材料结构数字化设计方法高效、准确, 便于结构选型及优化分析, 所得三维模型结果与理论值吻合较好. 当胞元面板构型、面板厚度及结构折痕总长不变时, 相对密度较小的三浦折纸超材料结构具备更为优异的吸能效率.      

新型负刚度吸能结构力学特性分析

负刚度结构作为一种具有广泛应用前景的力学超材料, 在吸能、减振及降噪等领域呈现出显著的优势, 但传统负刚度结构较低的比能吸收效率以及多稳态非自主回弹等特征, 严重限制了其工程应用. 为解决该问题, 通过单胞构型设计, 提出了一种新型可自主回弹的三维负刚度结构. 该结构利用串联的负刚度单胞在加载?卸载过程中, 曲梁胞元的自主反弹, 实现结构循环加载和多次重复利用; 通过凹槽深度设计抑制单胞多稳态的出现, 并且通过调整侧壁厚度, 控制曲梁屈曲模态的形式, 从而增大负刚度临界载荷差值, 实现吸能效率的显著提升. 随后为实现在复杂载荷环境下的高吸能, 对结构尺寸进行梯度设计, 提出了一种梯度负刚度结构, 利用有限元方法比较分析梯度负刚度结构与均匀负刚度结构在不同载荷作用下的吸能效果. 研究结果表明, 该梯度结构因微结构尺寸的不同, 具有不同的负刚度临界载荷最大值, 从而使其在不同的冲击载荷环境下, 在实现自主回弹的基础上, 均呈现出较好的吸能效率. 该新型负刚度结构为振动控制和结构重组等工程应用提供了技术支持.      

负泊松比结构力学设计、抗冲击性能及在车辆工程应用与展望

轻量化多功能负泊松比结构由于具有优异的可设计性、拉胀特性、剪切模量、断裂韧性、抗冲击吸能、减震降噪等特性,在车辆吸能结构设计和多功能优化方面具有巨大的应用潜力.本文详细综述了负泊松比结构的力学设计及其在车辆工程中的典型应用:(1)负泊松比基本概念及其力学特性, 以及近几十年来的快速发展趋势;(2)负泊松比材料与结构构型设计方法的基本分类、负泊松比泡沫材料微结构特征及制备工艺、负泊松比复合材料设计方法的基本发展历程以及前沿人工智能设计方法;(3)针对典型负泊松比结构的力学设计进行详细介绍, 主要包括手性结构、方格旋转结构、双箭头内凹结构、内凹蜂窝结构、拉伸扭转效应负泊松比结构等;(4)负泊松比材料与结构的冲击吸能特性及相关的实验、理论和模拟研究;(5)负泊松比材料与结构在汽车轻量化设计领域的典型应用, 主要包括汽车吸能盒、B柱、发动机罩、安全带、悬架、免充气轮胎等典型吸能结构件;(6)负泊松比结构在汽车工程中的应用前景, 所面临技术挑战和巨大应用潜力.      

基于组合超表面的跨水空声波调控研究

现有声学超表面的研究多是针对空气或水等单一介质,有关跨介质声波调控的研究相对较少.文章主要基于组合超表面研究跨水空界面声波的调控特性.首先,利用遗传算法设计了可以调控波前的高透射空气声超表面.接着,通过复合离散型跨水空高透射超表面设计组合超表面实现了对跨水空界面声波的波前调控,并讨论了组合超表面间距对波控性能的影响.最后加工制作组合超表面试样,并对跨水空声波聚焦功能进行了实验验证.结果表明通过复合两种独立设计的超表面可以实现跨水空界面声波的异常折射和聚焦功能.组合超表面的间距会影响其对声波的调控效果.当间距较小时,组合超表面虽然可以实现对跨水空界面声波的调控,但是调控效果较差;随着间距的增加,组合超表面对跨水空声波的调控效果会迅速增强并趋于稳定.在实验中观察到了跨水空界面的声聚焦现象以及组合超表面间距对跨水空界面声波聚焦效果的影响,实验结果与仿真结果基本一致.研究工作为跨水空声学器件的设计提供了一定的数值和实验基础.     

基于声学超材料的穿孔板缺陷态俘能特性研究

论文提出了一套适用于在低频段区间工作的声学超材料俘能装置.通过在含孔的声学超材料结构中制造一个局域共振缺陷态,进而将入射声波的弹性应变能集中在缺陷区域中,并利用压电晶片实现能量的转化.论文采用有限元的方法研究了元胞含孔的声学超材料在共振频率下俘获功率与电压的性能.进一步地,通过逐渐改变孔的尺寸,探究了孔径大小对俘能效果...     

负泊松比蜂窝材料的动力学响应及能量吸收特性

针对传统正方形蜂窝,通过用更小的双向内凹结构胞元替代原蜂窝材料的结构节点,得到了一种具有负泊松比特性的节点层级蜂窝材料模型。利用显式动力有限元方法,研究了冲击荷载作用下该负泊松比蜂窝结构的动力学响应及能量吸收特性。研究结果表明,除了冲击速度和相对密度,负泊松比蜂窝材料的动力学性能亦取决于胞元微结构。与正方形蜂窝相比,该负泊松比层级蜂窝材料的动态承载能力和能量吸收能力明显增强。在中低速冲击下,试件表现为拉胀材料明显的"颈缩"现象,并展示出负泊松比材料独特的平台应力增强效应。基于能量吸收效率方法和一维冲击波理论,给出了负泊松比蜂窝材料的密实应变和动态平台应力的经验公式,以预测该蜂窝材料的动态承载能力。本文的研究将为负泊松比多胞材料冲击动力学性能的多目标优化设计提供新的设计思路。     

Active elastic metamaterials for subwavelength wave propagation control

Recent research activities in elastic metamaterials demonstrate a significant potential for subwavelength wave propagation control owing to their interior locally resonant mechanism. The growing technological developments in electro/magnetomechanical couplings of smart materials have introduced a controlling degree of freedom for passive elastic metamaterials. Active elastic metamaterials could allow for a fine control of material physical behavior and thereby induce new functional properties that cannot be produced by passive approaches. In this paper, two types of active elastic metamaterials with shunted piezoelectric materials and electrorheological elastomers are proposed.Theoretical analyses and numerical validations of the active elastic metamaterials with detailed microstructures are presented for designing adaptive applications in band gap structures and extraordinary waveguides. The active elastic metamaterial could provide a new design methodology for adaptive wave filters, high signal-to-noise sensors, and structural health monitoring applications.     

折纸结构和折纸超材料动力学研究进展

折纸结构和折纸超材料由于其无穷的设计空间,突出的变形状、变大小、变拓扑特性,以及由折叠诱发的超常规力学特性,在最近几年迅速成为数学、物理和工程学科的研究前沿和热点.折纸结构和折纸超材料在航天、医疗、材料、机器人等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型的代表包括大型空间可展开结构、自折叠可重构机器人、微型可折叠器械等.随...     

Dynamic behaviour of a metamaterial system with negative mass and modulus

Different models of metamaterials have been developed to generate negative mass and/or negative modulus. The resulting mass and modulus in existing works, however, cannot be independently controlled. The current study presents a new representative cell of elastic metamaterials in an effort to provide a comprehensive model for generating negative mass and/or negative modulus. The current model consists of a series of properly arranged rigid bodies and linear springs. By introducing both translational and rotational motions in the representative cell, negative mass and negative modulus can be obtained in a controlled manner. The mechanisms and conditions under which negative mass and/or negative modulus can be achieved are studied in detail. Numerical examples indicate that by varying the design of the representative cell, different properties of the material system can be reliably generated, i.e., double negative (mass and modulus) or single negative (mass or modulus). The dynamic behaviour of the developed material system under different loading frequencies is evaluated and the longitudinal elastic wave propagation in such metamaterials is studied.     

A novel design scheme for acoustic cloaking of complex shape based on region partitioning and multi-origin coordinate transformation

Acoustic cloaking is an important application of acoustic metamaterials. This article proposes a novel design scheme for acoustic cloaking based on the region partitioning and multi-origin coordinate transformation. The cloaked region is partitioned into multiple narrow strips. For each strip, a local coordinate system is established with the local origin located at the strip center, and a coordinate transformation in the local coordinate system is conducted to squeeze the material along the strip length direction to form the cloaked region. To facilitate the implementation of the acoustic cloak, the multilayer effective medium is used to approximate the non-uniform anisotropic material parameters. The effectiveness of the proposed coordinate transformation method is verified by comparing the results from our method with those in the literature. Firstly, the results of a circular acoustic cloak in the literature are reproduced by using our finite element (FE) simulations for validation. Then, a comparison is made between the traditional coordinate transformation scheme and our new scheme for simulating an elliptical acoustic cloak. The results indicate that the proposed multi-origin coordinate transformation method has a better cloaking effect on the incident wave along the ellipse minor axis direction than the traditional method. This means that for the same object, an appropriate transformation scheme can be selected for different incident wave directions to achieve the optimal control effect. The validated scheme is further used to design an arch-shaped cloak composed of an upper semicircular area and a lower rectangular area, by combining the traditional single-centered coordinate transformation method for the semicircular area and the proposed multi-origin method for the rectangular area. The results show that the designed cloak can effectively control the wave propagation with significantly reduced acoustic pressure level. This work provides a flexible acoustic cloak design method applicable for arbitrary shapes and different wave incident directions, enriching the theory of acoustic cloaking based on coordinate transformation.     

Elastic metamaterials with local resonances: an overview

Metamaterials are artificial composite materials engineered to have properties that may not be found in nature. By exploring locally resonant effect of the building units, elastic metamaterials are able to possess negative values of effective mass, effective bulk or shear modulus. Mass-spring and continuum material versions of these elastic metamaterials are reported and the physical mechanisms of negative effective parameters are demonstrated. Applications of metamaterials to acoustic cloaking and superlensing are also discussed.     

Study of anomalous wave propagation and reflection in semi-infinite elastic metamaterials

Elastic metamaterials have been investigated to achieve negative effective properties, which cannot be found in the conventional elastic medium. In this paper, plane wave propagation and reflection in semi-infinite elastic metamaterials with doubly or triply negative material properties are studied analytically and numerically. The unique negative refractions for the longitudinal (P) wave and transverse (S) wave are captured by the proposed generalized Snell’s law. Attention is paid to quantitative characterization of the effects of different negative property combinations on the anomalous wave propagation. The effects of different angles of incidence are also investigated for both double-negative and triple-negative transmitted media and some unusual wave propagation phenomena such as complete wave mode conversion are numerically demonstrated. This study can serve as the theoretical foundation for engineering and designing general metamaterial-based elastic wave devices.     

力学超材料研究进展与减振降噪应用

力学超材料是一类由人工微结构单元构筑的复合结构或复合材料,具有天然材料所不具备的静力学/动力学性能.由于这些超常特性通常取决于微结构单元而非材料组分,这就为力学性能调控和结构功能材料设计提供了新思路.本文在简述力学超材料概念的提出、发展及其超常力学性能的基础上,以装备减振降噪工程需求为牵引,重点探讨力学超材料在水声调控,空气声吸隔声降噪,结构减振抗冲设计等方面的应用探索及发展趋势,为相关领域的科研及工程人员提供一定参考.     

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.