综合考虑减振与抗冲击性能的复合基座设计方法

常规基座减振与抗冲击性能在设计中难以兼顾,为此提出了一种利用蜂窝构建负泊松比效应,采用组合结构型式,结合结构动力学优化设计技术的新型减振与抗冲击复合基座设计方法。以某舰用设备基座为例,采用数值方法,对新型复合基座减振与抗冲击机理进行研究。研究表明,常规面板、常规肘板和蜂窝腹板组合式复合基座减振抗冲击是利用了阻抗失配和蜂窝结构吸能两种效应。建立了以基座面板厚度、肘板厚度和腹板蜂窝胞元壁厚为设计变量,在单一减振指标约束和减振抗冲击双指标约束下的复合基座动力学优化设计模型。数值优化结果证明,采用新型负泊松比效应蜂窝腹板组合结构,利用减振及抗冲击双指标约束下的动力学优化设计模型,可设计出减振与抗冲击能力俱佳的复合基座。     

声子晶体负泊松比蜂窝基座的减振机理研究

通过建立声子晶体负泊松比蜂窝基座的等效动力学模型,研究该基座局域共振减振机理。探讨动力学参数(固有频率比、质量比、阻尼比)、声子晶体的周期层数等对基座减振性能的影响规律。研究结果表明,当声子晶体固有频率与基座固有频率接近时,能有效降低基座发生结构共振时的响应幅值。建立声子晶体蜂窝基座的优化设计模型,优化得到具有指定局域共振固有频率的声子晶体结构。动力学频响计算表明,该优化设计基座能够有效抑制结构的低频共振现象。     

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。     

含负泊松比超材料肋板的双层圆柱壳声振性能分析

在保证结构承载能力的前提下,设计了含轻量化、减振降噪性能优良的负泊松比超材料肋板的双层圆柱壳结构,探索将其应用于潜艇动力设备舱舱段,以降低因动力设备引起的振动与噪声。通过调节超材料肋板宽度,可改变双层圆柱壳结构的整体刚度,调节超材料功能基元壁厚、角度以及基元层数可改变双层圆柱壳结构的隔振及声辐射性能;研究了保持肋板总质量不变条件下,超材料功能基元层数对双层圆柱壳结构隔振与声辐射性能的影响;给出了不同超材料肋板结构宽度、功能基元负泊松比及基元层数下双层圆柱壳结构的强度、固有频率、加速度响应级、振级落差、振动传递率以及辐射声功率。通过与常规双层圆柱壳结构对比,证实了采用负泊松比超材料肋板的双层圆柱壳结构轻量化优势与低噪声性能。     

零泊松比超材料设计的多评价点功能基元拓扑优化方法

提出基于多评价点约束的零泊松比超材料功能基元拓扑优化设计方法。在同一功能基元拓扑基结构中,通过建立对于多个评价点的正、负泊松比约束,实现胞元零泊松比效应。分别采用最小质量和最大柔度目标函数拓扑优化模型优化设计出与半内六角蜂窝相似的零泊松比功能基元最优拓扑构型。提取功能基元最优构型并周期性序构了零泊松比超材料试件,通过有限元方法验证了该功能基元的零泊松比效应,并分析超材料试件的静、动力学特性。计算结果表明,最大柔度目标函数设计的功能基元构型的泊松比更接近于零,且具有更好的承载与隔振性能。设计了零泊松比超材料环肋双层圆柱壳结构,进行外壳静压和内部设备激振下壳体水下辐射噪声分析。研究表明,零泊松比超材料环肋可将外壳压缩变形转换为内外壳间环肋旋转,实现耐压壳内壳的保形,且具有较好的降噪性能。      

含负泊松比超材料构件的潜艇振动与声辐射性能分析

利用负泊松比超材料在减振降噪方面的优良性能,将其应用于潜艇动力设备舱舱段的结构设计。将该舱段双层壳间实肋板改为负泊松比超材料肋板,既降低因动力设备引起的振动与噪声,又能使结构重量降低。通过建立潜艇有限元模型分析水下振动及辐射噪声,调整超材料肋板的胞元板厚,对比研究不同质量约束下超材料肋板与实肋板设计的舱段外壳振动加速度级;使用耦合间接边界元方法计算了潜艇辐射声功率级及声压辐射指向性,通过与实肋板机舱段结构的潜艇结构对比,负泊松比超材料肋板在总合成声功率上表现出更好的降噪性能。采用含负泊松比超材料能够更好的阻隔动力设备机械振动向外壳的能量传递,论证了负泊松比超材料肋板在实际工程中的应用价值及前景。     

船用新型抗冲击隔振蜂窝基座

利用蜂窝多孔材料良好的抗冲击吸能特性,改进面内刚度较低难以承载缺点,设计具有宏观负、正泊松比效应的新型船用抗冲击与低频隔振性能兼顾的蜂窝基座。调节内外圆环封板、上下面板刚度可调节蜂窝基座的固有频率及承载性能;调节蜂窝胞元壁厚、胞元角度及层数可调节基座抗冲击特性及低频隔振性能。研究保持蜂窝芯总质量不变的蜂窝层数及胞元壁厚对基座隔振性能及抗冲击性能影响,给出蜂窝胞元壁厚对基座强度、固有频率、振级落差及抗冲击性影响曲线。     

蜂窝结构力学超材料弹性及抗冲击性能的研究进展

具有手性蜂窝结构的力学超材料是近年来发展起来的高性能工程材料,它具有轻质、高比刚度、负泊松比、结构参数可调以及力学性能稳定等优点。其不仅可以实现面内变形,面外承载的双重力学作用,还具有出色的隔振、吸声降噪以及控制弹性波的传播等工程应用潜质,在智能结构、车辆船舶、航空航天等领域具有巨大的发展潜力。本文从其弹性和抗冲击两个力学性能方面进行综述。首先介绍并评述了近年来蜂窝结构力学超材料的面内杨氏模量、负泊松比特性以及面外剪切模量等弹性性能的理论分析研究进展。在抗冲击性能方面,从力学模型建立和有限元分析的角度出发,对手性蜂窝结构力学超材料在冲击载荷作用下的整体变形及其抗冲击性能的研究现状分别进行了评述。最后指出针对蜂窝结构力学超材料弹性及冲击性能的研究,可进一步建立内部韧带变形及力的传递力学模型以及深入探索冲击过程吸能机理等,以期为该类力学超材料内部韧带和节点环结构的优化设计提供参考。     

负泊松比内凹环形蜂窝结构的冲击响应特性研究

为了降低最大峰值应力和维持良好的冲击载荷一致性,在内凹六边形蜂窝(CHH)的基础上,基于机械超材料的设计理念,提出了一种新型负泊松比内凹环形蜂窝(RCH)结构模型。利用显式动力有限元方法,研究了面内冲击载荷作用下胞元微结构对该内凹环形蜂窝材料的变形行为、动态冲击应力和能量吸收特性的影响。研究结果表明:除了冲击速度和相对密度,内凹环形蜂窝结构的冲击动力学响应还依赖于胞元微结构;在中低速冲击作用下,内凹环形蜂窝亦表现出明显的负泊松比效应;与传统内凹六边形蜂窝不同,在相同冲击速度下,内凹环形蜂窝的最大峰值应力明显降低,并且具有良好的冲击载荷一致性;基于一维冲击波理论,还给出了内凹环形蜂窝材料的动态平台应力经验公式,理论计算结果和有限元结果吻合较好。     

含负泊松比超材料肋板的双层板声振特性分析

构造内六角蜂窝胞元构成的负泊松比超材料,将其作为双层板间的连接结构,基于有限元法和边界元法,对含负泊松比超材料肋板的双层板结构开展了声振分析。分析了内六角蜂窝负泊松比胞元几何特征与力学性能,设计含负泊松比肋板的双层板对其振动进行求解,并分析了胞元填充阻尼对振动的影响,结果表明双层板下面板响应相比上面板有明显衰减。控制结构总质量不变,通过调整负泊松比肋板的宽度与厚度,实现胞元等效模量的变化,进而改变肋板刚度,进行振动和辐射噪声计算。结果表明：与平板连接的双层板相比,含负泊松比肋板的双层板对振动能量有良好的吸收和衰减功能,能更好地降低面板的振动响应与辐射噪声;负泊松比肋板的板厚越小,层间结构的等效模量越低,振动与辐射声功率也越低。     

负泊松比内凹蜂窝结构梯度设计与动态冲击响应EI北大核心CSCD

根据负泊松比内凹蜂窝结构的变形机理,提出了一种变截面内凹蜂窝结构构型,利用ABAQUS软件研究了三维结构的动力学特性,分析了变截面负泊松比蜂窝结构在准静态压缩时的变形模式,并进行了实验验证,实验结果与有限元吻合良好。讨论了在不同冲击速度下梯度变截面内凹蜂窝结构的能量吸收性能,结果表明,在中低速下双向负梯度的能量吸收效果优于其他3种结构。所得结果为研究负泊松比力学超结构在动态冲击作用下的能量吸收提供了参考。     

内凹-星型三维负泊松比结构设计及冲击吸能特性

负泊松比结构因其反常的变形机制在缓冲吸能领域具有可观的应用前景。该文设计并表征了一种参数可调的新型负泊松比结构。采用理论和数值模拟相结合的研究手段,系统地研究了结构的静/动态力学性能和吸能特性。研究结果表明：新结构具有较好的力学性能和参数可调性;在静态压缩条件下,新型蜂窝结构具有更高的刚度和更优异的吸能性能,其比吸能值是内凹型蜂窝结构的2.64倍,是星型蜂窝结构的3.89倍;在动态冲击条件下,内凹-星型结构的吸能性能在低速时优于两种传统蜂窝结构(内凹和星型),在中高速时其吸能优势有所退化,与内凹型蜂窝结构相当,但远高于星型蜂窝结构。     

周期蜂窝超结构的振动性能分析

为探究周期蜂窝超结构在动力学减振控制方面的应用潜力，采用数值仿真分析方法，通过能带结构、模态振型、物理特性及有限阵列结构传输特性对周期蜂窝超结构的带隙特性及其形成机理开展深入分析。研究结果表明：在450 Hz以内，由硅橡胶组成的二维周期蜂窝超结构（晶格常数α为9.8 mm）的能带结构中存在两条完全带隙，并且多条方向带隙(Γ-X)对于拓宽减振频率范围具有重要意义；具有附加连接的二维周期蜂窝结构具有更为显著的带隙特性，而且连接处使用刚性材料更有助于增强弹性波在结构中的衰减性能；无限周期结构的带隙频段和有限阵列结构的振动衰减频段具有较好的吻合性。该项工作可为结构减振设计提供新思路、新方法。     

基于Helmholtz共振腔阵列的声学超材料研究

为有效控制特定频段的噪声,基于Helmholtz共振腔阵列,通过Helmholtz共振腔短管位置的控制,设计了一种新型的局域共振型声学超材料。利用COMSOL Multiphysics软件求得新型声学超材料的能带图和传递损失曲线,并与具有单一方向开口的Helmholtz共振腔阵列的传递损失曲线进行对比;同时,为分析新型声学超材料的带隙形成机理,求得了其在带隙频率范围内的声压分布云图。通过试验测试了新型声学超材料的吸声性能。结果表明：新型声学超材料的能带图中产生了2段较窄带隙和1段较宽带隙,在带隙频率范围内,声学超材料传递损失出现峰值;第1带隙和第2带隙较窄,原因是单个Helmholtz共振腔局域共振,声波能量消耗少;第3带隙较宽,原因是Helmholtz共振腔与其周期排列形成的外部波导联合共振吸声,消耗大量声波能量。试验测试结果与仿真计算结果较为吻合,新型声学超材料可有效控制1 300~1 500 Hz和1 500~2 000 Hz频率范围内的噪声。研究结果表明,所设计的新型局域共振型声学超材料可有效实现中低频减振降噪,为声学超材料在中低频的降噪控制研究提供了新的思路。     

冲击载荷下箭头型负泊松比蜂窝结构动态吸能性能研究

以箭头型负泊松比蜂窝结构为研究对象,在已有的冲击载荷下蜂窝结构平台应力理论模型的基础上,着重考虑平台区和平台应力增强区,建立了其受冲击载荷时吸收能量的理论模型,得到了其在冲击载荷下不同阶段吸收能量及对应等效应力大小与几何参数的关系。基于ANSYS仿真软件模拟了在冲击载荷作用下,箭头型负泊松比蜂窝结构的吸能和应力情况,对比验证了仿真结果与理论模型。结果表明,利用所建立的理论模型能够较为准确地描述蜂窝结构在冲击载荷下的动态吸能性能,并为负泊松比蜂窝结构的几何参数选择和优化设计提供指导。     

阻振质量-刚度-阻尼材料配置同步优化的基座声学设计

提出了一种通过配置阻振质量、优化构件尺寸和阻尼材料的基于声功率级约束的基座优化设计方法。不同于以往通过基座减振优化设计进而减小辐射噪声的方法,验证了基座声学优化设计对声隐身特性的直接效果。分别建立阻振质量单独优化、阻振质量-基座刚度同步优化、阻振质量-基座刚度-阻尼材料综合优化三种基座声学优化模型,比较了三种优化模型的优缺点。通过建立某算例基座声学动态代理模型,采用径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络方法进行优化计算,得到满足设计要求的最优设计,拟合误差较小,结果较为可信。     

新型十字形负泊松比蜂窝结构的抗冲击性能

负泊松比力学超材料具有高可设计性、轻量化以及抗冲击方面的优势，引起学者们的关注，对内凹六边形结构、手性结构等经典构型进行了广泛研究。提出了一种新型的十字形负泊松比蜂窝结构，基于能量法对该结构泊松比的解析式进行了推导，所得解析解与有限元结果吻合良好，证明了推导方法的有效性；针对不同冲击速度和不同杆长比例系数的十字形蜂窝结构的变形模式、冲击载荷下的名义应力应变曲线以及能量吸收特性进行了研究。结果表明：杆长比例系数越小，泊松比越小；冲击速度和杆长比例系数会影响十字形蜂窝结构的变形模式、冲击载荷下的名义应力应变曲线和平台应力；十字形蜂窝结构的体吸能在中速冲击下会随应变增大出现增长加快现象，而高速冲击下体吸能增长趋势不再随应变增大出现加快但呈现出规律的波浪形增长。     

星形节点周期性蜂窝结构的面内动力学响应特性研究

利用显式动力有限元法数值研究了冲击载荷下星形节点周期性蜂窝结构的面内冲击动力学响应特性。在保证各胞元壁长不变的前提下,通过改变胞壁厚度、内凹箭头节点间夹角和韧带长度等微结构参数,首先建立了星形节点周期性蜂窝结构的有限元模型。在此基础上,讨论了冲击速度和微结构参数对星形蜂窝材料的宏/微观变形、密实应变和动态冲击强度的影响。结果表明,由于胞壁受膜力和弯矩的耦合作用,在中、低速冲击载荷下,试件表现出负泊松比材料在轴向压缩时的"颈缩"现象。基于能量效率法和一维冲击波理论,给出了星形蜂窝结构密实应变和动态平台应力的经验公式,以预测多胞材料的动态承载能力。该研究将为拉胀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。     

连续爆炸冲击下负泊松比超材料防护结构性能研究

连续爆炸冲击现象在重大爆炸事故中经常出现,这对防护结构的性能提出更高要求。该研究对负泊松比超材料防护结构在连续爆炸冲击作用下的抗爆性能开展研究。首先,探讨了连续爆炸载荷的特点及作用方式。其次,采用数值仿真方法分析了海洋平台的负泊松比超材料防爆墙和负泊松比超材料双层横舱壁在连续爆炸冲击下的变形模式和应变分布,揭示了连续爆炸冲击下该类超材料结构的二次变形规律和毁伤机理。研究发现,內爆和外爆连续冲击载荷的作用方式并不相同,负泊松比超材料结构在连续外部及内部爆炸冲击时分别出现了局部坍塌挤压吸能、结构密实化整体弯曲等两种不同变形模式。研究结果可为防护结构连续抗爆设计提供参考。     

复合材料面板对筒型基座整体抑振机制影响规律研究

提出一种新型复合材料筒型基座结构形式，其面板采用夹芯结构设计；通过系统阻抗特性分析理论预测面板结构及材料参数对基座减振性能的影响规律；针对夹芯面板开展静/动力学特性试验；以振级落差为减振效果评价指标，通过激振试验研究了面板结构参数对基座抑振机制的影响规律。研究结果表明：在频段 ，夹芯面板刚度能有效控制基座减振性能，随着频率的增加，面板刚度抑振机制减弱，阻尼高频损耗抑振机制增强；夹芯面板芯材厚度的增加对基座高频抑振性能优于表层厚度增加；面板对基座减振耗能贡献高于环壁间阻尼芯材。