基于弹性力学的超构材料

近年来以微结构为基本构造单元的人工超构材料,由于具有自然材料所不具备的可设计的奇异物性,在材料学、声学、光学、电磁学以及信息能源等领域具有巨大的发展潜力.超构材料的研究脱胎于电磁超构材料,但是近年来在声学、热学、静电、静磁学以及弹性力学领域取得了飞跃的发展,大大拓展了超构材料的研究领域.借助Milton图重点阐述了基于弹性力学的新型超构材料的超常特性及其主要类别：例如具有负的质量密度和负弹性模量的声学超构材料,具有负泊松比的拉胀超构材料,具有剪切模量G=0的反胀超构材料,以及高强度的超轻材料等新奇的人工超构材料.不仅如此,还结合变换力学着重描述了声波和弹性波在这类弹性力学超构材料中的传播特性,以及详细阐述了负弹性参数超构材料界面的声表面波的特征及其物理效应.最后结合弹性力学超构材料在我国的研究现状,对利用弹性力学超构材料和声波超构材料操纵弹性波和声波的传播以及开发设计新型弹性力学超构材料等问题作了总结与展望,希望推进此类材料在诸多研究领域的应用.     

随钻钻孔深度的声学测量技术实验研究

通过建立声学测量实验系统,提出了用声波回声技术测量随钻钻孔深度的技术手段。利用阻抗分析仪测量了发射换能器阻抗特性,同时用脉冲法测量了发射换能器频谱,研究了单脉冲激发和burst信号激发测量等直径钻杆的波形和频谱。实验结果表明,利用不同频率的信号进行激发时,频率为2.5 k Hz的信号更适宜于声波传播。波形随着钻杆长度的增加而衰减,可测量的钻杆长度为30 m。对于等直径的伪钻杆结构,理论上一次直达波可传播480 m,但在当前的实验条件下可传播的距离只有120 m。     

周期性轨道结构的弯曲振动波控制

为探究周期性轨道结构中弯曲振动波调控的可行性,本文以CRTSⅢ型无砟轨道为研究对象,带隙特性为评价指标,采用能量泛函变分法建立了无砟轨道结构带隙特性分析模型.结合无砟轨道结构的带隙特性,获取了无砟轨道结构中弯曲波传播路径特征.在此基础上,针对钢轨的弯曲波调控,对比评估了周期性附加调谐质量阻尼器(TMD)和调谐质量阻尼惯容器(TMDI)对钢轨弯曲波的调控效果.针对轨道板的弯曲波调控,分析了轨道板参数对轨道结构带隙特性的影响,并进一步探讨了附加惯性增强装置对轨道板中传播的低频弯曲波的影响.结果表明,对于CRTSⅢ型无砟轨道结构,在0～1500 Hz范围内, 0～90.2 Hz范围内的弯曲波直接传递至下部基础,122.3～228.5 Hz范围内的弯曲波经由钢轨传递至轨道板且继续在轨道板中传播,其余频段的弯曲波则在钢轨中传播.对于钢轨的弯曲波调控,无论是周期性附加TMD还是TMDI均能打开新的弯曲波带隙,抑制钢轨中弯曲波的传播,且带隙的宽度与附加机构的有效质量呈正相关趋势,从宽频调控角度考虑, TMDI比TMD更具优势.对于轨道板的弯曲波调控,增大轨道板的有效质量或软化轨道板下部支承刚度均可缩...     

基于变密度法的水声隔声超材料拓扑逆向设计

低声阻抗超材料在水下环境中可以被视为声学软边界,并且在水声隔声方面具有重要应用前景.然而,设计出能够有效阻隔低频水声声波(<1000 Hz)的低声阻抗超材料仍然面临挑战.本文基于变密度法,对具有90°旋转对称性的低声阻抗超材料开展拓扑逆向设计,得到了一类具有中心四边形框架附着变截面韧带拓扑特征的声学超材料,其声阻抗只有水的1/40～1/30.有限元仿真揭示了超材料在薄厚度约束下(41 mm)能够在200～1000 Hz低频宽带范围内实现高效的水声隔声,平均隔声量大于19 dB.进一步等效参数分析发现,通过改变超材料方位角,能够产生纵波速度远小于横波速度的新颖物理现象.慢纵波速度使得超材料获得更低的等效声阻抗,从而进一步实现低频宽带水声隔声性能.本文的工作有望为低频宽带水声隔声超材料设计提供一种新的思路.     

声子晶体中多频带谷选择性角态

声学拓扑绝缘体具有拓扑保护、背散射及缺陷免疫的非传统声学边界态,为实现声波按需精细调控提供了一种有效的方法,其中二维高阶拓扑绝缘体中共同存在零维角态和一维边界态,使其拥有在多个维度上操纵波能量的能力,进一步增强了波调控的灵活度,引起广泛关注.本文提出了一种能够在多频带范围实现高阶拓扑态的C₃对称性元胞结构,其通过旋转散射体角度激活不同谷选择性角态.这种具有开关特性的角态可以根据需求进行声波场能量局域化调控,在实际运用中具有重要意义.相对于传统的单频带高阶拓扑绝缘体,本文所设计的元胞结构能够在基频带隙和二阶高频带隙中同时实现边界态的波导调控和角态的选择性激发,并具有优秀的缺陷免疫鲁棒性.该高阶拓扑绝缘体的多频带特性将有利于拓展传统单频带器件的工作频率范围和带宽,同时角态的谷选择性激发特点可推动声学拓扑绝缘体在多波段声波能量捕获、检测和采集声学器件中的应用.     

基于高通量计算及机器学习的新材料带隙预测

在功能材料应用中,带隙往往起着重要的作用,如光电材料一般为宽带隙半导体,而热电材料为窄带隙半导体,因此对指定类别的材料体系带隙进行快速而准确的预测对于功能材料应用具有非常重要的科学意义.然而,通过基于第一性原理的高通量计算获取高精度带隙的方法耗时长,效率低,而实验上系统测量大量材料体系带隙也不现实,所以基于统计学的机器学习预测方法就成了一种有前景的可能性替代方案.本文设计了一种集成学习模型用于有效而准确地预测带隙值.在已计算过带隙值的热电材料类金刚石化合物的基础上,一方面利用单组元组分替换策略产生大批量相似化合物,并用查重技术过滤掉重复体系,得到356个相似材料体系.另一方面结合机器学习技术,构建高效的带隙预测模型,预测并验证了50个相似材料体系的带隙值.通过实验证明,该预测模型具有77.73%的准确率,且足够健壮稳定,可以广泛应用于需要进行大批量带隙预测的热电材料的研究情景中.     

超晶格纳米线热传导的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法模拟了超晶格纳米线的几何形变与热传导性能. 模拟结果显示, 由于界面晶格不匹配, 在超晶格纳米线内部发生了明显的几何形变. 对于周期长度固定的超晶格纳米线, 界面热阻在总热阻中的比例及导热系数不随周期数改变而改变. 随着周期长度的增大, 超晶格纳米线的几何形变量逐渐减小, 导致平均界面热阻逐渐增大, 表明界面热阻不仅取决于界面层的材料特性, 同时也与超晶格结构的几何形变量相关, 在声阻不匹配模型中应考虑纳米尺度下材料晶格结构的变化. 仿真结果还证实了尺度效应对低维结构热传导性能的影响, 即随着超晶格纳米线横截面面积的增大, 导热系数将增大.     

冻融循环作用下超高性能混凝土界面过渡区微观力学性能劣化研究

为了探究冻融作用下超高性能混凝土(UHPC)的抗冻性机理,利用纳米压痕技术对钢纤维-浆体以及细砂-浆体两种界面过渡区的微观结构和微观力学性能进行研究.研究表明:钢纤维-浆体界面过渡区中存在明显薄弱带,微观结构受冻融影响较大.冻融作用下水化硅酸钙、氢氧化钙的弹性模量和硬度相对变化幅度小于0.2.微孔洞体积分数随冻融循环次数增加呈指数增长,且孔径逐渐扩展到几十微米.钢纤维界面过渡区厚度经0～1500次冻融后从20μm逐渐扩展到65μm左右.随冻融循环次数增加,微孔洞体积分数呈指数函数增长,钢纤维界面过渡区厚度也逐渐扩展,因此可以用来有效地表征冻融作用下UHPC界面过渡区的微观力学性能劣化机理.     

CDMA2000系统用高温超导线性相位滤波器的研制

针对第3代移动通信CDMA2000标准对高温超导滤波器提出的技术要求,设计了一种自均衡特性的高温超导线性相位滤波器,给出了线性相位滤波器的设计原理、拓扑结构、理论计算结果、耦合矩阵、等效电路、滤波器模拟仿真结果以及实际制作的高温超导滤波器测试曲线.设计的线性相位滤波器中心频率为830MHz,滤波器阶数为12阶,引入2个交叉耦合,滤波器实际测试曲线、模拟仿真结果、理论计算三者有很好的吻合,滤波器的带边陡度达37dB/MHz,60%带宽内的群时延波动小于±10ns.     

功能驱动的超材料结构数字化设计与3D打印

本文提出了一种以功能驱动的超材料结构数字化设计新方法,以实现电磁波传播方向90°偏折的伊顿(Eaton)透镜为典型应用目标,研究了其介电常数理论分布模型的数字化离散方法,获得了三维90°伊顿透镜介电常数离散化分布工程模型;通过理论计算建立起超材料单胞结构几何参数(木堆单胞结构柱宽ω与单胞尺寸a)与其等效介电常数之间的映射关系,从而实现三维90°伊顿透镜的工程模型向结构模型的转化;以光固化树脂(介电常数为3)、混合液体介质(介电常数从2.2到40)为原材料,采用光固化3D打印工艺,实现了液固耦合的三维90°伊顿透镜宏/微结构一体化制造;通过仿真和实验测试表明,所实现的三维伊顿透镜能够调控入射电磁波的传播方向,实现入射电磁波的90°偏折,且在12～18 GHz频段范围内具有宽频特性.本文所提出的数字化设计方法与3D打印工艺相结合,为实现面向电磁波传播调控的新型电磁波器件提供了一种途径.     

一种新型双层电磁带隙结构及其在微波电路中的应用

提出了一种新型双层电磁带隙结构, 并分别用数值和实验的方法对这种结构的特性进行了分析. 在对这种结构单元的电磁特性分析的基础上, 给出了其集总参数等效电路, 并且讨论了这种结构的几何参数对电磁特性和等效参数的影响. 与已有的EBG结构相比, 该结构具有小型化及背向辐射小的特点. 基于单元结构的特性和等效电路, 设计了一种紧凑型转弯线带阻滤波器, 以及带阻型天线双工器. 理论和测量结果显示, 这种结构在微波和射频系统中具有潜在的应用价值.     

仿Morpho蝴蝶鳞翅微纳结构的光学特性研究

Morpho 蝴蝶鳞翅上的微纳结构对光产生干涉、衍射等效应, 形成典型的结构色现象. 本文针对仿 Morpho 蝴蝶鳞翅微纳结构进行二维建模, 结合严格耦合波理论进行光学特性仿真分析, 研究了模型结构参数、环境折射率等对光学特性的影响及反射光谱曲线的变化规律. 增大二维模型纵向周期高度, 反射光谱峰值反射率增加, 且峰值波长向较大方向偏移; 减小纵向周期数, 峰值显著下降, 波峰变宽, 峰值波长也向较大一侧偏移; 增大横向周期宽度, 峰值略有下降, 峰值波长也向波长较大一侧偏移, 但整体变化不大; 改变环境氛围, 即增大环境折射率, 峰值亦大幅下降, 峰值波长向波长较大一侧明显偏移. 上述结论揭示了Morpho 蝴蝶所特有的结构色本质, 对于具有环境气氛检测功能的仿生微纳结构的设计优化和制造、应用具有重要意义.     

新型泡沫铝层合结构溜槽的结构设计及降噪性能研究

为了降低煤矿溜槽工作时的振动噪声,探索溜槽降噪的新途径,将泡沫铝层合结构用于制造矿用溜槽。针对溜槽工作的特点,设计泡沫铝层合结构矿用溜槽的新结构,使其结构满足原型结构溜槽的刚度要求,并且质量小于原型结构溜槽。运用声学软件Virtual.Lab对两种槽体在不同激振频率下的声场进行声学边界元分析。结果表明,泡沫铝层合结构溜槽可以降低对环境的辐射噪声,在低频段、中频段还是高频段都优于现有的溜槽结构,其平均声压级可减小5~6 d B左右,从而提高溜槽的环保性。     

特征驱动的结构拓扑优化方法

本文提出一种以特征作为结构拓扑优化基本设计要素的方法.该方法从CAD特征设计概念出发,通过采用隐式水平集函数建立结构的特征模型,将结构拓扑优化转化为设计域内特征布局和形状优化问题,避免了传统拓扑优化方法仅从力学性能角度寻优材料分布,导致拓扑优化结果过于抽象、工程特征差的弊端.本文针对给定体积约束条件下的结构柔顺度最小化问题,发展了固定网格框架下结构响应分析与形状灵敏度分析计算方法,理论上保证了灵敏度计算精度与结构水平集函数的数学表达形式无关.最后以带孔悬臂梁结构与飞机发动机支架结构为例,采用超椭圆/球特征设计要素验证了该方法的有效性与优越性.     

浮置板轨道钢弹簧隔振器动态特性参数的频率与幅值依赖性试验研究

钢弹簧隔振器的刚度与阻尼是影响浮置板轨道动力特性的重要参数.本文基于钢弹簧隔振器的室内试验,对隔振器刚度与阻尼的频率与幅值依赖性进行了研究.结果表明,隔振器的动刚度随着激振频率的增加总体趋势是增大的,但在共振频率附近,动刚度有减小趋势;等效黏性阻尼系数随激振频率增加而减小,在共振频率附近,变化幅度不大;能量耗散比则随着激振频率的增加而增大;随着激振幅值的增加,动刚度、等效黏性阻尼系数与能量耗散比均变化幅度不大.本研究可为钢弹簧隔振器设计提供参考.     

CO_2/CH_4在伊利石中的吸附特性研究

采用巨正则蒙特卡洛方法,对CO_2/CH_4混合物在页岩储层黏土矿物—伊利石孔隙结构中的吸附特性进行研究。模拟结果表明,随着地层深度的增加,在同一CO_2注入比例下,CH_4的吸附量呈现先增加、后趋于平缓的趋势;CO_2的吸附量变化较大,在CO_2注入比例不超过2时,吸附量先增加,在1Km左右(CO_2超临界点对应的地层深度附近)达到最大,然后开始下降,并逐渐趋于平缓,CO_2注入比例大于2时,吸附量先增加,在1Km左右达到最大,然后开始下降,之后又开始逐渐上升,并在地层5Km处时,趋于一个稳定值。随着CO_2注入比例的增加,同一地层深度处,CH_4的吸附量逐渐变小,且减小的趋势逐渐变缓;CO_2的吸附量逐渐增大,且增大的趋势逐渐变缓,而在地层5Km处时,当注入比例大于2时,CO_2的吸附量已达到饱和,不再随注入比例的增加而变化。通过对这些规律的研究和分析,并结合页岩气藏实际的开发条件,可为页岩气藏的高效开发提供一定的理论依据。     

致密砂岩气水相对渗透率模型

致密砂岩富含微米级孔隙,其气、水两相流动复杂,如何建立可靠的相对渗透率模型是目前亟待解决的问题.基于流体单管流动方程耦合二阶滑移模型,结合分形理论,建立了致密砂岩储层气、水相对渗透率模型,该模型考虑了气体滑脱效应、孔喉结构参数、含水饱和度分布,模型的可靠性通过多个已发表的气水相对渗透率实验数据验证.结果表明:1)建立的模型可用以描述致密砂岩储层微米尺度孔隙中的流体流动行为; 2)压力和含水饱和度增加都会减小滑脱效应对气相相对渗透率的提高作用,当压力小于1 MPa时,气相相对渗透率对压力极为敏感;温度对气相相对渗透的影响有限,可忽略; 3)孔径分布分形维数和孔隙迂曲度分形维数增加,有利于气相相对渗透率的提高,但会降低水相相对渗透率,且孔径分布分形维数的影响更大.     

放置于驻点的合成射流控制圆柱涡脱落模式的实验研究

将合成射流同时放置于圆柱前、后驻点位置,利用PIV测速技术,在水槽中进行了合成射流控制圆柱绕流的实验研究.在来流雷诺数、合成射流激励器振幅为固定值的情况下,使合成射流激励频率fe为尾迹涡固有脱落频率f0的1到3倍,应用频谱分析和本征正交分解(Pro-per Orthogonal Decomposition,简称POD)等方法,研究了合成射流对圆柱绕流结构的控制效果.随着激励频率的增加,合成射流的影响范围沿流向逐渐扩大,并且激励频率逐渐取代尾迹涡脱落的固有频率主控全流场.不施加控制以及fe/f0=1,2时,前两阶POD模态分布规律及模态系数的频谱分析均体现出尾迹涡固有的反对称脱落特性.激励频率fe/f0=2,3时,尾迹涡脱落模式的变化以及激励频率的主频特性在第3,4阶模态分布及模态系数变化中得到了很好的体现.激励频率fe/f0=2时,尾迹涡脱落兼有对称与反对称模式;激励频率fe/f0=3时,合成射流涡对在近尾迹剪切层诱导产生对称的尾迹涡结构,但是在向下游发展过程中逐渐演化为反对称模式.     

非磁性细微颗粒的负磁泳耦合分选规律研究

非磁性细微颗粒的磁泳分离在生物工程、材料工程和环境工程等领域具有广阔的应用前景.为了分选直径非常接近的非磁性微粒,设计了负磁泳耦合的水动力分选器,为了确保分选器具有优异的性能,数值研究了在不同的磁场强度、磁铁个数、微通道参数、入口流速和速度比时, 3, 4, 5μm的3种非磁性颗粒的运动轨迹,计算3种颗粒侧向偏移和颗粒分布带之间的距离(即带间距).结果表明:3种细微颗粒的侧向偏移距离和带间距都随磁场强度和颗粒尺寸的增大而增大;但是颗粒的侧向偏移并不会因为磁铁数量的增加而持续增加;颗粒的分离效果随着入口流速的减小,流速比的增大而提高.此外,当微通道结构参数H_a/H_b越小,不同颗粒分布带之间的距离就越大,不同直径的颗粒就越容易分离;最后,利用微-PIV实验获得了3种颗粒带的分布,并计算颗粒分布带宽和带间距,与数值模拟结果比较发现一致性很好.研究结果对非磁性颗粒分选器的设计具有指导意义.     

柴油高压喷雾燃烧火焰碳烟颗粒形貌及其纳观结构分析

柴油机是热效率最高、单位体积和比功率密度最大、应用最广泛的动力装置之一.但柴油机喷雾混合扩散燃烧的本质会导致颗粒物的大量产生.为了深入了解柴油机缸内温度和压力条件下喷雾火焰中碳烟颗粒的生成及其演化的详细机制,本研究利用热泳探针采样及高分辨透射电子显微镜成像(HRTEM)的方法对定容燃烧弹(CVCC)中柴油喷雾火焰中生成的颗粒进行了采集并结合成像分析研究了其表观形貌、纳观结构的特性,并进一步提取了其形貌结构的参数.本文还详细考察了不同负荷(喷油量)对基元颗粒和团聚体的形态特征及分形几何参数的影响.结果表明,随着喷油量的升高,团聚体分形维数增加,团聚体颗粒结构越来越紧凑.不同喷油量下的基元粒径呈正态分布,粒径随喷油量的增加而增加.颗粒的微晶长度随喷油量增加而增加,但微晶曲率和微晶碳层间距随喷油量增加而减少,由此表明随着喷油量的增加,颗粒样品的石墨化程度提高,氧化活性下降.我们在此基础之上还进一步分析了回转半径、颗粒投影面积、圆度和球度、基元粒子数等相关参数的结果.