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采用局域共振超材料混凝土提升结构消波防护性能:综述和展望

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材料导报 2024年第5期38卷 1-14页

作者：姚未来刘元雪孙涛赵宏刚穆锐雷屹欣中国人民解放军陆军勤务学院重庆401311 岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室重庆401311 国家救灾应急装备工程技术研究中心重庆401311

超材料是一种通过设计获得的人造材料,具备自然材料所不具备的超常物理性能,这种特殊性能并非来自于材料组分,而是来源于经过特别设计过的人工结构。超材料最初源自电磁学领域,可表现出频率禁带(带隙),即在该频谱范围内,电磁波传输将被... 详细信息

超材料是一种通过设计获得的人造材料,具备自然材料所不具备的超常物理性能,这种特殊性能并非来自于材料组分,而是来源于经过特别设计过的人工结构。超材料最初源自电磁学领域,可表现出频率禁带(带隙),即在该频谱范围内,电磁波传输将被有效抑制。这种能对电磁波加以操控和处理的特性为解决各类工程问题提供了方便,激发了人们将其迁移至其他学科领域的热情。随后,声学超材料被提出,可对声波进行类似的操控,实现消声和隔音。与之相似,力学超材料也应运而生,可利用带隙特性对应力波进行处理,实现消波、滤波,提升结构的防护性能。超材料混凝土是力学超材料在土木工程领域的一项具体应用,其利用人工骨料的局域共振行为产生带隙,实现特定频率应力波的阻断。可见,超材料混凝土从波的操控角度实现了防护性能,与传统防护材料通过强度、韧性实现防护目的的本质不同,具有明显的创新性,开展相关研究对提升结构的防护性能具有重要意义。本文对超材料混凝土自提出至今的主要研究进行系统梳理,立足于工程应用视角,对超材料混凝土消波的实际验证、共振骨料带隙特征及设计准则、共振骨料空间分布及掺量效应、动荷载下的能量转移规律、共振骨料的改造五个方面进行综述,最后总结了当前研究的主要结论,并紧扣工程实际应用提出了对未来研究的展望。

关键词：超材料混凝土能量带隙消波滤波防护工程

超材料混凝土的带隙特征及对冲击波的衰减效应

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爆炸与冲击 2020年第6期40卷 66-74页

作者：张恩路国运杨会伟曹瑞东陈鹏程太原理工大学土木工程学院山西太原030024 太原理工大学材料强度与结构冲击山西省重点实验室山西太原030024 山西大学土木工程系山西太原030013

借鉴超材料的研究思路,在混凝土中引入谐振骨料,设计出具有消波特性的超材料混凝土。首先,通过结构动力学方法计算超材料混凝土的有效质量,从而建立了超材料混凝土带隙起始频率及截止频率的简化模型,并给出了带隙起始频率及截止频率的... 详细信息

借鉴超材料的研究思路,在混凝土中引入谐振骨料,设计出具有消波特性的超材料混凝土。首先,通过结构动力学方法计算超材料混凝土的有效质量,从而建立了超材料混凝土带隙起始频率及截止频率的简化模型,并给出了带隙起始频率及截止频率的理论表达式。然后,分析了涂层弹性模量、芯柱密度、基体密度、骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比对超材料混凝土带隙特征的影响。最后,采用数值模拟的方法,对比了超材料混凝土和普通混凝土对冲击波的衰减效应。研究结果表明:(1)低弹性模量涂层能够形成低频带隙,但带隙宽度较窄,而高弹性模量涂层能够形成较宽的带隙,但带隙起始频率较高;(2)通过选择高密度芯柱材料和低密度基体材料,可以得到低频、宽带隙特征;(3)通过增大骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比可以实现扩宽带隙的目的;(4)与普通混凝土相比,超材料混凝土对冲击波具有更好的衰减作用。

关键词：超材料混凝土带隙特征起始频率截止频率衰减效应

采用局域共振超材料混凝土提升结构消波防护性能：综述和展望

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材料导报 2023年

作者：姚未来刘元雪孙涛赵宏刚穆锐雷屹欣国家救灾应急装备工程技术研究中心中国人民解放军陆军勤务学院岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室

超材料是一种通过设计获得的人造材料，其具备自然材料所不具备的超常物理性能，而这种特殊性能并非来自于材料组分，而是来源于经过特别设计过的人工结构。超材料最初源自于电磁学领域，可表现出频率禁带（带隙），即在该频谱范围内，... 详细信息

超材料是一种通过设计获得的人造材料，其具备自然材料所不具备的超常物理性能，而这种特殊性能并非来自于材料组分，而是来源于经过特别设计过的人工结构。超材料最初源自于电磁学领域，可表现出频率禁带（带隙），即在该频谱范围内，电磁波传输将被有效抑制。这种能对电磁波加以操控和处理的特性为解决各类工程问题提供了方便，激发了人们将其迁移至其他学科领域的热情。随后，声学超材料被提出，可对声波进行类似的操控，实现了消声和隔音。与之相似地，力学超材料也应运而生，可利用带隙特性对应力波进行处理，实现消波、滤波，提升结构防护性能。超材料混凝土是力学超材料在土木工程领域的一项具体应用，其利用人工骨料的局域共振行为产生带隙，实现特定频率应力波的阻断。可见，超材料混凝土从波的操控角度实现防护性能，与传统防护材料通过强度、韧性实现防护目的的思路本质不同，具有明显的创新性，对其开展研究对提升结构防护性能具有重要意义。本文对超材料混凝土自提出至今近十年间的主要研究进行系统梳理，立足于工程应用视角，对超材料混凝土消波的实际验证、共振骨料带隙特征及设计准则、共振骨料空间分布及掺量效应、动荷载下的能量转移规律、共振骨料的改造五个方面进行综述，最后总结了当前研究的主要结论，并紧扣工程实际应用提出了对未来研究的展望。

关键词：超材料混凝土能量带隙消波滤波防护工程

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超材料混凝土抗冲击效应数值研究

中国科学：物理学、力学、天文学 2020年第2期50卷 74-85页

作者：靳贺欣陈文苏郝洪郝逸飞天津大学建筑工程学院天津300350 Centre for Infrastructural Monitoring and Protection School of Civil and Mechanical EngineeringCurtin UniversityPerth 6000Australia

作为一种广泛应用的工程材料,混凝土材料抗拉强度低的缺点限制了其应用.当高速冲击荷载作用在混凝土结构上时,由于混凝土的脆性和较低的抗拉强度,结构后部的混凝土通常会产生严重的层裂破坏.因此,有效降低混凝土的层裂破坏对于提高结构... 详细信息

作为一种广泛应用的工程材料,混凝土材料抗拉强度低的缺点限制了其应用.当高速冲击荷载作用在混凝土结构上时,由于混凝土的脆性和较低的抗拉强度,结构后部的混凝土通常会产生严重的层裂破坏.因此,有效降低混凝土的层裂破坏对于提高结构性能很重要.近些年学者提出了局域共振超材料,它利用人造微结构的存在能使该超材料呈现出天然材料所不具备的超常物理性质.本文借鉴局域共振超材料的工作原理,通过将混凝土中的部分天然骨料替换为人工骨料超材料来降低冲击荷载下的层裂破坏.通过LS-DYNA,建立考虑随机分布的砂浆、天然骨料和人工骨料的超材料混凝土三维细观模型来进行层裂实验的数值模拟.研究超材料混凝土在冲击荷载作用下的材料性能以及人工骨料的材料属性和几何属性对超材料混凝土动态性能的影响.

关键词：超材料混凝土人工骨料细观模型层裂破坏