周期胞元平面桁架结构等效动力学分析

基于能量等效研究了周期胞元构成的平面桁架结构等效动力学建模问题。通过相邻胞元应变协调条件,将胞元的应变场阶次降阶为Timoshenko梁对应的应变场阶次。根据周期胞元的中心位移,获得胞元应变能与动能,进而利用Hamilton原理得到平面桁架结构等效连续体动力学方程。基于等效连续体模型和有限元模型,对周期胞元桁架结构进行了固有特性分析,验证了等效连续体模型的正确性和精度。     

谐振放大压电声学超材料梁带隙特性研究

声学超材料具有亚波长带隙,可应用于结构振动与噪声控制。引入压电材料和谐振分流电路,可以利用电磁振荡和压电材料机电耦合特性在超材料内部形成可调谐局域共振带隙。传统压电声学超材料受到已有压电材料机电耦合系数的限制,带隙一般较窄,无法满足大柔性结构振动与噪声控制中低频宽带需求。因而,该文提出一种谐振放大压电声学超材料梁结构。将压电片划分为传感极和驱动极,传感极输出电压经过运算放大电路放大,然后与谐振电路相连,实现局域共振效果的增强,从而增大带隙宽度。采用有限元方法建立压电声学超材料梁带隙计算模型,分析了带隙位置和宽度随电路放大倍数的变化,研究了等效弹性模量与带隙的关系;利用商用有限元软件仿真分析了有限周期梁的振动传递特性,验证了带隙计算方法的正确性。研究结果表明,放大电路有效增强了电路的局域共振效果,随着放大倍数的增大,带隙频率降低,带隙宽度增大。     

基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计

为了满足多相材料结构动态性能要求,提出一种基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计方法。采用序列固体各向同性料插值模型惩罚刚度矩阵和质量矩阵,以多个动载荷作用的多相材料结构总动态柔顺度最小化为优化目标,以结构质量和成本为约束条件,构建多相材料结构动态拓扑优化模型,利用等效静态载荷法将多相材料结构动态拓扑优化问题转化为多工况下的多相材料结构静态拓扑优化问题,以降低灵敏度分析的复杂程度;采用移动渐近线算法求解多相材料结构动态拓扑优化问题。数值算例结果表明所提方法是有效性的,与传统的拓扑优化方法相比,基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化求解时间节省了75%,大大提高了计算效率;与单相材料拓扑优化结果相比,多相材料结构动态拓扑优化设计获得的结构具有更好的动态性能。     

等效铰结桁架单元

基于有限元基本思想,根据微元体与平面桁架单元或空间桁架单元应力、应变等效原则构造出一种更为简单适用的等效铰结桁架单元,理论分析和计算结果表明,用此模型来等效分析计算平面或空间应力问题是可行的,它能达到减少计算工作量,易于分析程序编制,方便数据后处理等目的,并能满足工程精度要求。     

自由阻尼层结构阻尼材料配置优化的拓扑敏度法

提出阻尼胞单元和阻尼拓扑敏度等概念，建立了基于阻尼拓扑敏度综合评价的阻尼材料拓扑优化准则，并用于自由阻尼层结构振动控制中阻尼材料的配置优化。建立待控结构阻尼材料布局的拓扑基结构，计算各单元的阻尼拓扑敏度。再建立考虑重量目标及结构频响峰值约束的阻尼材料配置拓扑优化模型。根据所提出的阻尼材料拓扑优化准则，求解上述配置优化问题，确定阈值和各单元拓扑值。并用若干典型结构算例，验证所提出方法的正确性，讨论了阻尼材料布局拓扑基结构的规模与优化效率的关系。     

卫星周期桁架结构振动特性应用研究

从微分方程出发,利用谱元法推导梁的解析解,并验证其准确性,以此研究平面周期桁架结构振动传递特性,即带隙和波形转换作用;根据卫星主承力结构桁架周期性特点,建立服务舱和载荷舱简化模型,利用谱元法分析其振动传递带隙特性,并进行试验验证。理论和试验表明:周期桁架结构具有良好的隔振特性,尤其是阻带内振动得到很大衰减,说明周期桁架在卫星主结构隔振设计中具有广阔应用前景。     

任意负泊松比超材料结构设计的功能基元拓扑优化法

基于拓扑优化方法,提出了设计具有任意负泊松比超材料及结构的功能基元拓扑优化法。针对功能基元的不同初始拓扑基结构,包括矩形和三角形初始拓扑基结构,以指定的负泊松比值作为约束条件,以功能基元柔顺度最大化为目标函数,建立了任意负泊松比超材料拓扑优化模型并求解。提取拓扑优化得到的功能基元最优构型,经周期性分布从而形成负泊松比结构。建立优化得到的超材料结构有限元模型,验算了功能基元的泊松比,计算分析了该超材料试件的静、动力学特性。结果表明,该负泊松比效应超材料试件具有较好的承载能力,且在中低频段有较好的减振效果。     

基于梁理论的ECC拉伸应变硬化与开裂行为的数值模拟

基于描述超高延性水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,ECC)中单根纤维拔出行为的等效弹性地基梁模型,通过纤维-基体系统切面的平面应变有限元分析,提出了等效连续梁弹簧约束刚度的显式计算方法,建立了改进的等效弹性地基梁模型,并将模型应用于ECC单轴拉伸应变硬化与多缝开裂行为的数值模拟分析。分别基于摩擦滑轮模型和等效弹性地基梁模型计算ECC应力-应变关系曲线,并与试验结果进行对比。结果表明：对于聚乙烯(PE)/ECC,大部分情况下基于等效地基梁模型的计算结果与试验结果相比于聚乙烯醇(PVA)/ECC更加吻合。表明本文提出的改进的等效地基梁模型能够很好地描述抗弯刚度无法忽略的纤维的拔出行为,对于此类ECC材料和结构的受力机制和设计理论具有一定的参考价值。     

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。     

基于动力反共振结构的周期细直梁纵向局域共振带隙研究

引入动力反共振结构,构建了一种具有低频局域共振带隙的新型细直梁周期结构。基于传递矩阵法和Bloch理论推导了无限周期细直梁纵向振动弹性波能带结构的理论模型,利用有限元法建立了有限周期细直梁纵向振动传输特性的数值模型,仿真结果与理论计算基本吻合。通过分析局域共振带隙与共振子等效质量和等效刚度的关联,阐述了动力反共振周期结构对细直梁纵向振动的隔振机理,给出了局域共振带隙的变化规律。研究表明,与采用弹簧质量为局域共振子的细直梁周期结构相比,应用动力反共振结构能够实现更低的带隙初始频率。     

声学超材料板的弯曲波带隙与减振降噪特性

利用周期结构的波传播理论和有限元法相结合的方法计算了含双层柱状局域共振结构的声学超材料板的能带结构图,分析了晶格常数的变化对超材料板的带隙特性的影响。研究发现:晶格常数的变化会影响基板和柱体的振动耦合作用,对超材料板的带隙特性产生显著影响。通过对比不同算例,分别得到了限定或不限定局域共振结构附加质量比条件下,晶格常数对带隙的调控规律,研究表明选择适中的晶格常数,可以增大带隙的归一化宽度。此外还进一步仿真计算了超材料板在力激励下的振动与声辐射特性,结果表明在带隙频率范围内,超材料板具有良好的低频宽带减振降噪效果。论文研究为基于带隙理论的板类结构的低频宽带减振降噪设计提供了有益参考。     

长度调制的声子晶体梁弯曲振动带隙特性分析

提出一种长度可调制的双周期声子晶体梁结构,研究弯曲波的带隙特性。在无限周期条件下采用传递矩阵法计算准周期声子晶体梁弯曲振动中的弹性波能带结构,并与简单二组元声子晶体梁结构的能带进行对比,然后进一步分析调制参数对带隙的调节机制,结果表明准周期声子晶体梁结构较简单二元声子晶体梁能够产生更大带宽、更多频段的带隙。在有限周期条件下采用有限元法计算准周期声子晶体梁的振动传递特性,证明理论计算的正确性。所提出的准周期声子晶体梁结构可在使用较少材料的基础上大幅度拓宽带隙并具有更强的带隙调控力,为梁类工程结构的减振提供更多选择,并可为新型滤波器、隔振平台的设计提供新思路。     

正交钢丝环链网片顶压力学行为薄膜等效方法

正交钢丝环链网片广泛应用于落石防护工程,具有复杂的非线性力学行为,针对目前常用的离散接触态环梁单元模型计算效率低的问题,提出了一种薄膜等效模拟方法。开展了网片加载试验,研究了试件的P-Δ特性,分析并揭示了网片的正交化受力特征及正交拉力带的形成机制。基于最短传力路径原理构建了薄膜面外加载的正交拉力带解析模型,推导了等效薄膜的应力-应变关系,建立了薄膜顶压有限元模型。研究表明:采用指数强化弹塑性本构的薄膜能够在数值模拟中准确反演网片面外加载的宏观力学行为,模拟得到的顶破力、顶破位移和耗能能力与试验相比误差均小于10%。同时,采用该文方法建立的冲击力学模型求解得到的冲击响应与既有文献的试验结果吻合较好,加速度峰值误差4.3%。最后基于冲击模型,对比了等效模型与环梁模型的计算效率,等效方法的计算效率可提高10倍以上。     

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。     

双层超材料板的弯曲波超低频带隙特性研究

针对局域共振型双层超材料板，利用有限元法研究了几何参数与材料组分参数对弯曲波带隙的影响。通过优化计算得到较合理的参数，进而设计了附加钢质量块的ABSPMMA材料双层板，结果表明其在亚波长尺寸可以打开超低频54-65 Hz弯曲波带隙。将该超材料板建立等效弹簧质量系统，求解等效动态质量的负密度频率段与弯曲波带隙宽度很好地一致，并进一步阐述带隙产生机理。考虑板的隔声性能，分析了不同声波入射角对传声损失的影响，在带隙频率范围内的57 Hz点传声损失(STL)幅值均能取得最大值，这表明超低频带隙能够起到良好减振降噪效果，由此显示这种新型双层超材料板在工程领域具有广泛的应用。     

大型空间柔性桁架结构等效建模与动力学分析

大型空间柔性桁架结构具有周期性、大柔度、构型复杂等特点,其等效建模是进行振动控制器设计的关键性技术之一。基于能量等效原理和经典Timoshenko梁理论,对刚性连接的大型空间柔性正三棱柱桁架结构进行了等效建模与动力学分析,采用Taylor展开方法推导了等效梁模型的刚度和质量表达式,对比分析桁架结构与等效梁模型的固有振动特性,二者吻合较好。数值结果表明了等效方法的有效性且等效梁模型具有较高的精度。     

光子带隙超材料研究进展

光子带隙超材料是一种可用于控制和操纵光传导的极具吸引力的人造材料,通常是由周期性电介质、金属、超导体等组合而成的微结构或纳米结构。光子带隙可理解为在晶体中传播的光在高、低介电常数区域的界面处发生多次反射而干涉相消,类似于固体物理中的电子带隙。针对近年来光子带隙超材料研究领域的几个热门方向——光子晶体光纤、光学拓扑态、Dirac点零折射率和带隙调制发光,从凝聚态物理学理论出发,通过与电子带隙和Dirac方程理论的比较和拓展,详细介绍了介质基光子晶体、光拓扑绝缘体、Dirac点多重简并、金属和发光材料与光子晶体构成的复合光子带隙超材料的研究进展和应用现状。光子带隙超材料灵活可调控的光学特性不但可以用于设计更高品质的传统光学器件,还可以获得自然界中不存在的奇特属性。我们相信随着现代科技的发展进步,多学科和多方向的交叉融合能够进一步拓宽光子超材料的设计思路,推进理论向实用转化。     

多振子梁弯曲振动中的局域共振带隙

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。     

高层建筑框支剪力墙结构自振特性计算的超元法

本文提出高层建筑框支剪力墙结构自振特性计算的超元法，即将上部剪力墙和落地剪力墙视为等效柱，底部框架视为等代柱，楼板视为深梁，整个结构简化为固定在地面上的十字交叉梁系，采用超级单元刚度矩阵组合、凝聚得到结构的整体侧移刚度矩阵，进行结构的自振特性计算。例例表明，本法计算简便省时，结果可靠。     

一种等效拉延筋阻力模型及其应用

 为了提高板料成形件质量,提出了一种等效拉延筋阻力模型.该拉延筋阻力模型在平面应变假设的前提下,考虑中性层偏移、鲍辛格效应等多种因素影响,通过与经典的Nine试验数据比较,证明了该模型的准确性.以翼子板为成形对象,结合改进的等效拉延筋阻力模型,采用非线性优化算法对拉延筋结构进行优化设计.利用优化获得的等效拉延筋阻力反求拉延筋几何参数,建立成形中的实体拉延筋仿真模型,获得了质量较好的成形件.研究结果表明该等效拉延筋阻力模型能够较好地适用于板料成形中.