彈性波與力學(xué)超材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用專題序

姜 恒 黃國(guó)良

* (中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所微重力實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

? (中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

** (密蘇里大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系,美國(guó)哥倫比亞 65211)

超材料是一類由人工微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)筑的復(fù)合材料,具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì),經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,超材料已經(jīng)從電磁領(lǐng)域逐漸拓展到聲學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、材料學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在概念與內(nèi)涵、理論與設(shè)計(jì)、制備與應(yīng)用等各方面都開(kāi)展了深入探究與應(yīng)用研究,產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響.相較于傳統(tǒng)均質(zhì)材料的半經(jīng)驗(yàn)式研究,超材料從微結(jié)構(gòu)基元精確設(shè)計(jì)出發(fā),是未來(lái)先進(jìn)功能材料的創(chuàng)新研究新范式.彈性波與力學(xué)超材料是整個(gè)超材料家族的重要組成部分,近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,已經(jīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型建立以及應(yīng)用等方面取得了豐碩的研究成果.

為了系統(tǒng)報(bào)道具有奇異波動(dòng)與力學(xué)特性超材料的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試與應(yīng)用研究,《力學(xué)學(xué)報(bào)》組織了本次的“彈性波與力學(xué)超材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用”專題,包含了1 篇綜述型論文和5 篇研究型論文,介紹了部分在彈性波及力學(xué)超材料研究中的前沿性、創(chuàng)新性研究成果.

湖南大學(xué)王凱、周加喜等撰寫(xiě)了《低頻彈性波超材料若干進(jìn)展》.他們首先簡(jiǎn)要介紹了超材料開(kāi)啟彈性波帶隙的基本原理,然后從低頻彈性波超材料基本結(jié)構(gòu)與低頻帶隙實(shí)現(xiàn)方法、低頻帶隙優(yōu)化與調(diào)控策略、低頻帶隙潛在應(yīng)用等三個(gè)方面詳細(xì)總結(jié)低頻彈性波超材料的研究工作.進(jìn)一步,通過(guò)總結(jié)低頻彈性波超材料的研究進(jìn)展,他們指出了目前低頻超材料在工程應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn).論文提出基于拓?fù)鋬?yōu)化方法,創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有承載能力的結(jié)構(gòu)化小剛度局域振子,是低頻超材料進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵.如何對(duì)含有非線性的超材料進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并求解超材料的高維非線性方程,是設(shè)計(jì)超材料并評(píng)估其性能的核心問(wèn)題.拓寬低頻帶隙寬度,強(qiáng)化帶隙內(nèi)彈性波衰減效果以及對(duì)低頻帶隙位置進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控是拓展超材料在振動(dòng)抑制方面應(yīng)用的另一關(guān)鍵性問(wèn)題.

彈性波在色散關(guān)系經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的梯度結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性波彩虹捕獲效應(yīng),即不同頻率的彈性波會(huì)在結(jié)構(gòu)的不同位置停止向前傳播并發(fā)生能量聚集.西北工業(yè)大學(xué)王芳隆、沈一舟、徐艷龍等撰寫(xiě)了《彎曲波彩虹捕獲效應(yīng)及其在能量俘獲中的應(yīng)用》,通過(guò)所設(shè)計(jì)的梯度結(jié)構(gòu)梁,分析了彎曲波彩虹捕獲效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理,并通過(guò)有限元仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了彎曲波彩虹捕獲效應(yīng)的空間分頻現(xiàn)象和波場(chǎng)能量增強(qiáng)現(xiàn)象,最后通過(guò)有限元多物理場(chǎng)耦合仿真和實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)地研究了彎曲波彩虹捕獲效應(yīng)在壓電能量俘獲中的應(yīng)用.

力學(xué)超材料中的彎曲梁雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)由于其主動(dòng)調(diào)控性強(qiáng)且調(diào)控精度高等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)受到廣泛關(guān)注.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所肖伯雅等人撰寫(xiě)了《可重構(gòu)力學(xué)超材料的設(shè)計(jì)與波動(dòng)特性的研究》.他們利用中心受壓彎曲梁的不穩(wěn)定性設(shè)計(jì)了六角型雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),并首先研究了六角型可重構(gòu)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)其整體力學(xué)性能的影響;之后在具備雙穩(wěn)態(tài)特性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究了構(gòu)型變化對(duì)結(jié)構(gòu)色散關(guān)系的影響并進(jìn)行了相應(yīng)的頻率響應(yīng)計(jì)算驗(yàn)證.結(jié)果表明,可以通過(guò)六角型可重構(gòu)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的主動(dòng)調(diào)控,為可逆向設(shè)計(jì)的彈性波超材料結(jié)構(gòu)研究分析提供了一條可靠路徑.

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的周期和多孔特征使其相較于普通的實(shí)體結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、耐沖擊、減振降噪和高比強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì),在航空航天和船艦等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景.西南科技大學(xué)任怡與武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所張昊等撰寫(xiě)了《金字塔點(diǎn)陣圓筒結(jié)構(gòu)軸向彈性波傳遞特性研究》.他們以金字塔點(diǎn)陣圓筒結(jié)構(gòu)為對(duì)象,根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化建模,并利用有限元仿真軟件計(jì)算了點(diǎn)陣圓筒結(jié)構(gòu)軸向振動(dòng)特性,系統(tǒng)研究了單胞的寬、高以及桿件直徑等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)減振效果的影響,根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)了一種具有低頻寬帶減振性能的金字塔點(diǎn)陣圓筒結(jié)構(gòu),并通過(guò)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的減振性能進(jìn)行了驗(yàn)證.

折紙結(jié)構(gòu)和折紙超材料具有無(wú)窮的設(shè)計(jì)空間,突出的變形狀、變大小、變拓?fù)涮匦?以及由折疊誘發(fā)的超常規(guī)力學(xué)特性,在最近幾年迅速成為數(shù)學(xué)、物理和工程學(xué)科的研究前沿和熱點(diǎn).清華大學(xué)王海瑞、申薛靖等撰寫(xiě)了《折紙超材料折展穩(wěn)態(tài)特性的研究》.他們針對(duì)新型折紙超材料穩(wěn)態(tài)機(jī)理不清晰的問(wèn)題,采用扭轉(zhuǎn)彈簧等效法和能量原理,對(duì)折紙超材料在復(fù)雜內(nèi)部構(gòu)型及折展運(yùn)動(dòng)協(xié)同作用下的力學(xué)行為進(jìn)行了理論研究,建立了超材料構(gòu)型在折展變形過(guò)程中的力學(xué)模型,分析了構(gòu)型幾何參數(shù)對(duì)折展外載荷的影響規(guī)律,為新型折紙超材料穩(wěn)態(tài)性能的調(diào)控和構(gòu)型設(shè)計(jì)提供了可借鑒的思路.

拉脹超材料因其負(fù)泊松比特性而具有優(yōu)異的多向能量吸收和體積變化可調(diào)性,使其在航天航空和軍工設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.西南石油大學(xué)朱一林、江松輝、于超撰寫(xiě)了《增強(qiáng)六手臂缺失支柱手性拉脹超材料力學(xué)性能理論研究》.在前期研究工作中,他們提出了一種在大變形范圍內(nèi)具有可調(diào)恒定負(fù)泊松比的新型增強(qiáng)六手臂缺失支柱手性拉脹超材料.為了揭示微觀結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能關(guān)系,并進(jìn)一步指導(dǎo)超材料目標(biāo)參數(shù)設(shè)計(jì),他們?cè)谛∽冃慰蚣芟禄谀芰糠ń⒘吮碚髟摾洸牧系刃Р此杀群蛷椥阅Ａ康睦碚撃Ｐ?并為便于理論模型的應(yīng)用,開(kāi)發(fā)了MATLAB 圖形用戶界面,輸入幾何參數(shù)就可以直接獲取相應(yīng)結(jié)構(gòu)的等效力學(xué)性能參數(shù),系統(tǒng)研究了關(guān)鍵幾何參數(shù)對(duì)增強(qiáng)六手臂缺失支柱手性拉脹超材料力學(xué)性能的影響規(guī)律.

由于專題篇幅限制,本次專題僅粗略涵蓋了彈性波與力學(xué)超材料的理論研究、設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用技術(shù)等方面的內(nèi)容,期望以本專題為契機(jī),進(jìn)一步促進(jìn)彈性波與力學(xué)超材料的理論創(chuàng)新與關(guān)鍵技術(shù)突破.最后,感謝《力學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部對(duì)本專題的支持！也特別感謝所有論文作者以及審稿專家對(duì)本專題出版的重要貢獻(xiàn)和大力支持！