基于ISIGHT的二维手性声子晶体带隙最优设计

本文首先利用有限元仿真软件COMSOL计算了二维手性声子晶体的带隙,分析了散射体参数与韧带涂层参数变化对带隙的影响规律。在此基础上,确定手性声子晶体带隙最优设计的有效参数设计空间;然后基于ISIGHT优化设计平台嵌入遗传算法,开展二维手性声子晶体带隙的最优设计。在带隙的最优设计过程中,先以二维手性声子晶体的有效构型参数为设计变量,相对带隙宽度最大为目标,设计手性声子晶体单胞构型。再以此优化单胞构型为初始构型,以手性声子晶体的有效材料参数为设计变量,相对带隙宽度最大为目标,进一步实现二维手性声子晶体带隙的最优设计。本工作极大限度地挖掘了二维手性声子晶体带隙最优设计潜能,为充分发挥手性声子晶体在减振降噪中的作用提供了可靠有效的分析设计方法。     

管道超结构轴向带隙特性分析及实验研究

本文提出一种新型管道超结构元胞构型,其轴向振动带隙包括局域共振型和布拉格(Bragg)散射型两种带隙,该结构在2 500 Hz内共有两阶带隙,且第二阶带隙频率范围较宽。分别应用传递矩阵法和有限元法计算了该结构的能带结构分布及有限周期结构传输特性;搭建了包含4个元胞的管道超结构实验平台进行振动测试,并与计算结果进行对比验证;最后讨论了不同参数对其带隙分布的影响规律。结果表明,所研究管道超结构在2 500 Hz内共有两阶带隙,第一阶带隙主要为局域共振型带隙,凸台和振子的几何尺寸对其影响较大,元胞尺寸对其影响较小。第二阶带隙主要为布拉格散射型带隙,带隙宽度可达923 Hz,该带隙分布随元胞长度、凸台长度和振子厚度改变而改变。合理设计结构各部分几何尺寸,可满足工程中特定频段抑振的需求。     

薄板型声子晶体材料参数对弯曲振动带隙的影响

借助改进的平面波展开法,从薄板弯曲波的波动方程出发,分析了材料参数对正方晶格/正方散射体的薄板型声子晶体的第一个完全带隙和第一个Γ-X方向带隙的影响.结果表明,散射体和基体材料的杨氏模量比和质量密度比是影响薄板弯曲振动带隙的关键材料参数;弯曲振动的第一完全带隙和第一Γ-X方向带隙都在由杨氏模量比和质量密度比组成的空间内被分为两个区域,能带结构分别具有Bragg散射特征和局域共振特征.     

音叉型声子晶体能带结构研究

利用超元胞法研究音叉型散射体构成的声子晶体的声波带结构,分析音叉型散射体的几何参数(板的厚度,圆柱体的半径和高)对能带结构的影响.研究结果表明:这种新型的声子晶体比传统声子晶体具有更优的带隙,而且带隙的调节机制更为简单,结果还表明超元胞法是研究这一类声子晶体能带结构的一种有效方法.     

含螺旋孔的超材料夹层板的带隙特性研究

本文提出一种新型低频宽带的穿孔超材料夹层板,旨在有效抑制板间横向振动。该结构的单胞由上下层面板、螺旋板、圆柱振子和支撑部件等构成。其中,螺旋板上设计4个螺纹孔,圆柱振子通过螺栓固定于板中心,螺旋板通过两侧横板与支撑部分连接。采用COMSOL仿真软件对胞元进行有限元分析,获得了无限周期结构的能带和共振模态,并计算了有限周期结构的传输透射率。结果表明,该结构能够产生两个宽幅的低频振动带隙,带隙范围内的振动衰减明显。本文进一步揭示了带隙机理,优化了结构参数,实现了两带隙的低频耦合,给出了符合工程实际需求的带隙。     

二维准分形结构声子晶体透射特性的数值研究

本文用时域有限差分方法研究了几种具有相似几何结构的准分形声子晶体的透射特性.计算了由水中钨柱组成的二维准分形结构声子晶体的ΓX和FM方向禁带,计算表明,对于钨柱分布在水背景中的情况,这种具有正方形点阵特点的准分形声子晶体存在多频带隙的特点,能带随级数的增大整体地趋向于低频部分.而且这种准分形声子晶体带隙的宽度及中心频率会随声子晶体单胞内结构单元几何形状的改变而改变.     

弯折臂格栅结构声子晶体带隙优化

通过对弯臂格栅结构声子晶体中密度、弹性模量以及模型几何参数等因素对第一带隙宽度的影响规律的研究,对弯臂格栅结构声子晶体设计参数进行了优化,优化后的结构较初始设计结构带隙宽度增加了近三倍,该优化方法有效地改善了声子晶体的带隙特性.选取与文献中相同的参数所得的计算结果与文献中的实验结果吻合良好,证明了计算模型的理论可行性,同时设计参数对带隙的影响规律与COMSOL进行了对比也验证了规律的正确性,在此基础上利用基于NSGA-II遗传算法的优化方法可以实现对声子晶体结构带隙的控制.     

含旋转对称性孔的二维声子晶体带隙特性研究

利用有限元法计算了旋转对称性孔体系声子晶体的能带结构,分析了希腊十字和旋转玫瑰孔的几何参数对它们的带隙影响,结合带隙边界的振动模态,阐述了带隙的产生机理.结果表明:希腊十字孔和旋转玫瑰孔体系声子晶体容易打开多个较宽频率带隙;该类型结构谐振单元能够很好局域弹性波,带隙边界振动模态呈现为旋转模态,有利于打开带隙.这些研究结果可能为设计多孔轻质减振复合材料具有重要的参考价值.     

二维类三角晶格声子晶体的声学带隙特性分析

首先划分7种类三角晶格声子晶体按三角点阵排列,并推导它们的结构因子,然后利用平面波展开法数值计算了类三角晶格水/水银声子晶体的能带结构,分析了带隙的各向同性以及归一化半径对带隙的影响.结果表明:(3.4.6.4)品格、(34.6)晶格、(3.6.3.6)晶格、(63)晶格水/水银声子晶体可以产生较宽频率范围的带隙;(3.12.12)晶格和(4.6.12)品格水/水银声子晶体存在很窄低频带隙;单胞含6个和3个“原子”水/水银声子晶体容易形成各向同性带隙;选取归一化半径分别为0.38和0.28,使类三角晶格水/水银声子晶体的第1和第2带隙都获得最大值.     

边界载荷对层级椭圆穿孔板超材料带隙的影响

为探索边界载荷对超材料带隙特性的影响,本文构建了一种层级椭圆穿孔板超材料,将载荷直接作用于结构的边界,采用有限元法研究了边界载荷导致结构变形所引起的带隙变化。建立了3个层级椭圆穿孔板有限元模型,将三维椭圆穿孔板简化为二维平面结构,以便于研究结构的面内带隙特性。分析了有无边界载荷作用时层级椭圆穿孔板的带隙特性、传输损耗和带隙边界对应的振型。结果表明,引入层级设计可降低带隙频率,施加边界载荷可打开更多完全带隙和方向带隙,从而更好地抑制弹性波传播,为穿孔板类超材料设计提供了一种新思路。