基于COMSOL局域共振声子晶体薄板振动带隙研究

针对低频振动控制问题,研究一种局域共振声子晶体薄板的振动带隙。首先,基于弹性波方程及Bloch定理,探讨应用COMSOL有限元模拟方法开展声子晶体振动带隙计算的可靠性;然后,模拟计算所设计的局域共振声子晶体薄板的振动带隙,分析其带隙结构和元胞结构参数对振动带隙的影响,并以200 Hz～400 Hz的中低频为目标频段,通过选择带隙宽度在目标频段内占比最大的参数组合作为声子晶体薄板的最优设计方案;最后,在频域上考察声子晶体薄板内波的传输特性。研究表明,利用COMSOL有限元模拟方法开展声子晶体振动带隙计算是可靠的,与数值计算方法相比,其计算的带隙参数误差都很小;对于所设计的局域共振声子晶体薄板,元胞的结构参数对振动带隙具有显著影响,通过优选元胞结构参数,可使声子晶体薄板的振动带隙向低频区域移动;薄板内波的传输特性和薄板的振动位移图进一步证实了在振动带隙内薄板对波传播的阻碍作用。     

一种基于局域共振的低频超宽带隙瓣状声学超材料

针对低频声波的衰减问题,设计了一种基于局域共振(Local Resonance,LR)机理的带瓣型结构的声学超材料,并运用COMSOL有限元软件MULTIPHYSICS 4.3计算分析了所设计的结构元胞带隙特性及其振动特性,研究表明,所设计的声学超材料比无瓣型声学超材料带隙更宽,并且仅用单层结构同种元胞组合就可以在一定频率下形成较宽的多个完全带隙,而不需要通过不同种元胞组合或是多层结构的复合而达到一定带隙特性。在此基础上,进一步对所设计的声学超材料的几何尺寸进行了优化。     

夹杂及弹性耦联对手性蜂窝复合材料吸振带隙的影响

为了研究手性蜂窝复合材料的振动特性与其振动传播带隙之间的关系,首先,建立了该种材料离散多自由度的夹杂-韧带振动力学模型,该模型考虑了其内嵌夹杂的局部振动与由微结构韧带连接的节点环之间的弹性耦联及诱发共振模态。然后,重点研究了微结构元件之间的耦联程度和微结构元件的尺寸参数对材料吸振带隙低频段和高频段的影响,并结合有限元方法对模型进行了验证分析。结果表明:除柔性包覆的夹杂以外,耦联诱发振动、节点环和韧带的材料及尺寸参数都对手性蜂窝复合材料的固有振动频率产生显著影响,从而控制带隙的位置和带宽。随着节点环内、外弹性耦联程度的减小,夹杂的模态频率将控制带隙的低频段,且随着夹杂质量的增大,低频段的频率降低;高频段由韧带振动表征;当节点环内、外弹性耦联程度增大时,带隙的低频段对韧带和框架的模态更加敏感,从而出现比夹杂模态频率更低的带隙。无论弹性耦合程度强弱,当韧带和节点环的厚度减小时,材料第三阶较高的包覆层变形频率将被相对更低的韧带振动频率取代。所得结论可为小尺寸、低频宽带隙手性蜂窝型隔振材料的设计研究提供理论指导。     

含双自由度周期振子的平行并联梁弯曲振动带隙特性

为探究新型周期结构的低频多带隙特性，提出了周期布置双自由度振子的局域共振型平行并联梁结构。利用平面波展开法，计算了无限周期结构的弯曲振动能带结构。采用有限元法计算了有限周期结构的振动传输曲线，并通过模态分析和变形模式研究了带隙产生机理。建立了双自由振子并联梁的简化模型，推导了带隙起止频率简化公式，研究了结构参数对带隙特性的影响规律。最后制作了模型试件并进行传递特性分析，验证了理论和有限元法预测带隙的准确性。研究表明，仅改变两梁之间连接弹簧的刚度，可以有效调节带隙频率，为双自由度振子双梁周期结构的减振控制提供参考。     

一维杆状结构声子晶体扭转振动带隙研究

从椭圆杆的扭转振动方程出发，利用平面波展开法，给出了无限周期结构的一维声子晶体杆的扭转振动能带结构。发现一维声子晶体具有扭转振动带隙，并且分析了椭圆形状对带隙频率的影响。利用有限元方法计算了有限周期结构的椭圆杆的扭转振动频率响应，在带隙频率范围内频率响应具有明显的衰减。扭转振动是噪声及振动控制领域研究的主要对象之一，周期结构杆中存在扭转振动带隙为减振理论与应用提供了一种新的思路。     

基于子结构综合法的周期支撑结构带隙分析

周期结构具有特殊的动力特性,即带隙特性。在带隙频段内(或称阻带),结构振动被抑制。具有周期支撑的结构也存在带隙特性。在过去的研究中,一般将周期支撑简化为简支条件或简单的弹簧质量系统,并作为胞元间的边界条件。这种方法适用于简单支撑的情况,为了考虑支撑的复杂动力学特性,利用子结构综合法,将周期支撑结构视为胞元内部子结构,利用基于频响函数的子结构综合法建立整体胞元的动力学模型。通常计算结构带隙的方法是通过有限元法建立元胞的数值传递矩阵法,但对于复杂结构,数值传递矩阵法经常存在数值病态问题。通过引入模态分析,将子结构的传递矩阵用频响函数解析表示,根据Floquet原理和基于频响函数的传递矩阵法计算得到带复杂支撑的周期结构的带隙特性。利用曲线拟合和模态截断保留主要阶次的模态,可以同时得到元胞的模态参数与带隙间的关系,为逆向优化设计奠定了基础。最后通过仿真验证了方法的可行性和有效性。     

多层有砟轨道结构弹性波波动行为及带隙特性

为更好探究弹性波在有砟轨道结构中的传播特性,建立基本元胞平面波倒格矢下的多层有砟轨道波动方程,得到无限周期结构模型的频散曲线及各阶带隙,分别为：0～57.4 Hz、72.14 Hz～122.2 Hz、141.9 Hz～243.5 Hz。通过参数分析,得出结构中的局域共振带隙主要受到扣件、轨枕、道床刚度等轨下支撑的影响;Bragg 带隙主要受到扣件刚度及元胞长度的影响。同时,建立有限周期数的多层有砟轨道模型求解结构的振动传递系数dB,得到在各阶带隙范围内dB值小于0,即弹性波明显衰减,验证了带隙的存在及计算的正确性。为探寻带隙机理,模拟多层有砟轨道的集中质量模型,推导出各阶带隙的边界频率计算公式及振动模式。最后,提取位于带隙范围内的60 Hz、90 Hz、200 Hz以及位于通带范围内的70 Hz、150 Hz、2 000 Hz下的钢轨及道床位移分布,对于带隙范围内的频率,钢轨及道床位移会沿着弹性波波动方向快速衰减,表现出带隙特性,且衰减速度与振动传递系数大小相符;而对于通带范围内的频率,钢轨及道床位移沿着弹性波的波动方向无明显变化或衰减,即表现出通带特性,这进一步阐释有砟轨道结构中弹性波的传播特性以及带隙对钢轨及环境振动的抑制作用。有关结论可为后续从波动角度研究轨道结构及环境振动提供新的思路及理论支撑。     

二维复合结构声子晶体的振动特性与实验研究

声子晶体可以获得低频带隙,抑制特定频率振动的传播。建立二维复合结构声子晶体的有限元模型,分析其传输特性,以得到各组元参数对带隙的起止频率及带宽的影响。分析声子晶体的各种材料参数、结构参数、周期数、排列方式等对带隙的影响。利用铝板、硅胶、钢片材料制作复合结构声子晶体样件,进行传输特性实验,得到的频率响应曲线与有限元仿真结果吻合很好。进而为声子晶体在中低频减振中的具体应用提供依据。     

弹性支撑条件下一维声子晶体结构振动特性研究

为了开展弹性支撑环境下一维声子晶体结构弯曲波振动特性的研究,采用回传射线矩阵法对其频率响应函数曲线进行计算,并开展相应的参数化研究.通过与有限元法比较可以发现,二者的吻合程度较好,证明该计算方法的正确性.为了进一步分析几何参数与多种条件下弹性刚度对于弹性支撑下一维声子晶体振动特性的影响规律,对不同情况下带隙的起始频率、...     

局域共振子对手性覆盖层振动和声辐射抑制的影响

为增强某些频率区域内覆盖层对加筋板的声辐射抑制作用,在手性结构覆盖层的圆环内填充软橡胶层包覆的金属核心局域共振子。本文基于有限元方法及Rayleigh积分公式,建立了敷设手性覆盖层加筋板简化梁模型,分析了手性覆盖层的振动抑制特性及局域共振子对手性覆盖层振动的影响。结果表明:手性结构的变形模式和局域共振子与手性结构之间的耦合作用对覆盖层的禁带频率带宽和振动衰减起到关键的作用;手性结构覆盖层对加筋板声辐射抑制作用主要来自于覆盖层的振动衰减能力,声辐射效率的变化对声辐射的影响较小。     

螺旋结构手性材料的微波介电和反射/透射性能研究

研究了螺旋结构手性材料的排列方式及其螺直径对金属螺旋体介电常数和反射/透射系数的影响。利用矢量网络分析仪测量了螺旋手性材料在8.2～12.4GHz的反射/透射系数和微波介电性能。结果表明,螺旋结构手性材料的排列方式和螺直径与微波性能密切相关。选取适当的排列方式和螺直径,可使手性材料的性质在左手和右手之间转变,并可使反射系数值在X波段内为0.05。     

螺旋炭纤维的制备及其吸波性能研究进展

螺旋炭纤维作为手征性材料的典型代表,具有成分、结构、形貌、电磁和手征参数可调的显著优势,成为近年来研究的热点.综述了螺旋炭纤维的制备及其结构与形貌控制、生长机理和吸波性能,发现对其结构和形貌的控制,可以调节和改善其吸波性能.同时讨论了螺旋炭纤维的发展趋势和存在的主要问题.     

周期结构振动控制研究现状

对周期支撑结构,周期加筋板壳,周期结构桁架,手征性周期结构,声子晶体,失谐周期结构,超材料等在振动控制方面的研究概况进行阐述。并对周期结构的带隙求解方法和导纳求解方法进行归纳。     

声波在声子带隙材料中的传输

研究了声波在二维声子带隙材料中的传输特性,把声子带隙材料作为一个散射体进行处理。在远场近似下（kr〉〉1）,计算了声波在有限范围内声子带隙材料中的传输系数,得到了与带结构符合很好的计算结果。     

Flexible and Responsive Chiral Nematic Cellulose Nanocrystal/Poly(ethylene glycol) Composite Films with Uniform and Tunable Structural Color

The fabrication of responsive photonic structures from cellulose nanocrystals (CNCs) that can operate in the entire visible spectrum is challenging due to the requirements of precise periodic modulation of the pitch size of the self‐assembled multilayer structures at the length scale within the wavelength of the visible light. The surface charge density of CNCs is an important factor in controlling the pitch size of the chiral nematic structure of the dried solid CNC films. The assembly of poly(ethylene glycol) (PEG) together with CNCs into smaller chiral nematic domains results in solid films with uniform helical structure upon slow drying. Large, flexible, and flat photonic composite films with uniform structure colors from blue to red are prepared by changing the composition of CNCs and PEG. The CNC/PEG(80/20) composite film demonstrates a reversible and smooth structural color change between green and transparent in response to an increase and decrease of relative humidity between 50% and 100% owing to the reversible swelling and dehydration of the chiral nematic structure. The composite also shows excellent mechanical and thermal properties, complementing the multifunctional property profile.     

High-performance polymer-based monolithic capillary column

In this report, we introduce a new entry of high-performance polymer-based monolithic capillary column for mainly small molecules. This capillary column was prepared using a newly introduced epoxy monomer with diamines. Simply heat-induced polycondensation in an appropriate porogenic solvent afforded a really homogeneous co-continuous monolithic structure having submicrometer-size skeletons with micrometer-size through-pores. We were also able to prepare chiral monolithic columns using a chiral epoxy monomer as well as a chiral diamine. A 21.5-cm-long, 100-mum-i.d. column afforded up to 40 000 theoretical plate numbers (N) for alkylbenzenes in 60% aqueous acetonitrile as a reversed-phase-mode stationary phase. Due to a quite low column pressure drop, a 150-cm-long column was prepared. This long column afforded up to 200 000 plates for alkylbenzenes with only a 4-MPa column pressure drop. In contrast, in 100% acetonitrile, this column has "HILIC" property to show up to 60 000 plates for methanol with a 17.5-cm-long column. In this mode, we were able to separate nucleic acids. In addition, we have prepared a chiral column with both of the chiral epoxy monomers and an amine. This column was able to chirally discriminate a racemic alcohol in a reversed-phase mode.     

Broadband quasi-total autocollimation cross-polarization wave transformation

The problem of diffraction of plane E-and H-polarized waves on a chiral layer supported on a periodic reflective grating composed of rectangular metal rods is solved using the methods of reexpansion and generalized scattering matrices. The diffraction on this structure is accompanied by quasi-total autocollimation cross-polarization wave transformation in a broad frequency band.     

Supramolecular Nanostructures of Chiral Perylene Diimides with Amplified Chirality for High‐Performance Chiroptical Sensing

Chiral supramolecular nanostructures with optoelectronic functions are expected to play a central role in many scientific and technological fields but their practical use remains in its infancy. Here, this paper reports photoconductive chiral organic semiconductors (OSCs) based on perylene diimides with the highest electron mobility among the chiral OSCs and investigates the structure and optoelectronic properties of their homochiral and heterochiral supramolecular assemblies from bottom‐up self‐assembly. Owing to the well‐ordered supramolecular packing, the homochiral nanomaterials exhibit superior charge transport with significantly higher photoresponsivity and dissymmetry factor compared with those of their thin film and monomeric equivalents, which enables highly selective detection of circularly polarized light, for the first time, in visible spectral range. Interestingly, the heterochiral nanostructures assembled from co‐self‐assembly of racemic mixtures show extraordinary chiral self‐discrimination phenomenon, where opposite enantiomeric molecules are packed alternately into heterochiral architectures, leading to completely different optoelectrical performances. In addition, the crystal structures of homochiral and heterochiral nanostructures have first been studied by ab initio X‐ray powder diffraction analysis. These findings give insights into the structure–chiroptical property relationships of chiral supramolecular self‐assemblies and demonstrate the feasibility of supramolecular chirality for high‐performance chiroptical sensing.     

Magnetic and Electric Control of Circularly Polarized Emission through Tuning Chirality‐Generated Orbital Angular Momentum in Organic Helical Polymeric Nanofibers

Circularly polarized light emission promotes the development of smart photonic materials for advanced applications in chiral sensing and information storage. The orbital angular momentum is a unique property for organic chiral helical materials. In this work, a type of organic chiral polymeric nanowires is designed with strong chirality induced orbital angular momentum. Under the stimulus of an external magnetic field of 600 mT, circularly polarized emission from the chiral polymeric nanowire becomes more pronounced, where the g factor increases from 0.21 to 0.3. The observed phenomena mainly originate from the chirality‐dependent orbital angular momentum. Moreover, the orbital angular momentum in helical chiral nanowire structures can be suppressed by inhibiting electron transport in a helical way to diminish circularly polarized light emission at room temperature.     

无反射层泡沫夹层结构设计及吸波性能研究EI北大核心CSCD

针对无反射层的电磁隐身需求,本工作对透波层/吸波泡沫/透波层的夹层结构的吸波性能进行仿真计算,据此制备不同电磁参数的吸波泡沫,对其进行电磁特性表征,并研究吸波泡沫夹层结构的雷达散射截面(RCS)性能。结果表明:在吸波泡沫介电常数为2.3~2.7,介电损耗为0.24~0.26时,无反射层的夹层结构在宽频范围内具有最优的吸波性能。加入炭黑吸收剂泡沫的介电常数和介电损耗具有明显的变化规律,吸波PMI泡沫的电磁特性与仿真计算最优吸波泡沫较接近。炭黑质量分数为8%时吸波PMI泡沫夹层结构在2~18 GHz频率范围内具有最优的隐身性能,与仿真计算结果相对应,其通过低频透波、高频吸波实现电磁波隐身。