弧形星型手性结构波传播特性与面内冲击性能仿真研究

作     者：张坤 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：辛亚军;王艳武

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：单相声学超材料 低频减振 波传播特性 双负特性 面内冲击 

摘      要：轻量化的手性超材料具有良好的隔振性能,可以在低频范围内抑制弹性波的传播;内凹型超材料的冲击能量吸收能力很强,可以用作抗冲击材料减小结构受力破坏。本文结合手性和内凹型的结构特点,提出了二维弧形星型手性结构。本文从声学隔振和力学冲击两方面对二维弧形星型手性结构特性进行了研究。首先,通过有限元软件模拟出了结构的能带图,研究带隙边界的振型模态,分析带隙的产生机理。并且分析了波衰减特性与结构几何参数、材料参数之间的关系,发现圆弧的半径和连接杆的偏转角度对结构带隙的频率范围具有显著影响。之后,模拟计算了该结构的色散面、群速度和相速度,探讨了平面内弹性波定向衰减特点以及色散曲线中能量的流动方向,发现结构中能量流动呈现各向异性。在特定的频率范围内,等效介质参数满足横波和纵波产生负折射的条件,因此该结构还具有双负特性。本文设置了二维弧形星型手性周期性板结构,通过传输损耗的有限元模拟对结构的滤波性能进行了验证。最后,对结构试件进行了面内冲击仿真模拟,分析了冲击速度对平台应力、密实化应变以及结构动态响应的影响,研究了结构变形过程中的能量吸收特点。本文还设置了不同半径以及半径梯度、不同角度以及角度梯度的试件,研究结构参数对能量吸收的影响。结果表明,设计的二维弧形星型手性结构不仅具有良好的声学性能,还具有抗冲击性能。这种构型简单、单相轻质的结构,在声学方面具有低频宽带隙和双负特性;同时,结构在冲击荷载作用下会表现出负泊松比效应,具有良好的能量吸收效果。这种超材料可以用来制造轻质声透镜和滤波器等声学器件,在结构的减振降噪和抗冲击方面也会有广阔的应用前景。