彈性波與力學超材料設計與應用專題序

姜 恒 黃國良

* (中國科學院力學研究所微重力實驗室,北京 100190)

? (中國科學院大學工程科學學院,北京 100049)

** (密蘇里大學機械與航空航天工程系,美國哥倫比亞 65211)

超材料是一類由人工微結構單元構筑的復合材料,具有天然材料所不具備的超常物理性質,經過多年發展,超材料已經從電磁領域逐漸拓展到聲學、力學、熱學、材料學等諸多學科領域,國內外學者在概念與內涵、理論與設計、制備與應用等各方面都開展了深入探究與應用研究,產生了深遠影響.相較于傳統均質材料的半經驗式研究,超材料從微結構基元精確設計出發,是未來先進功能材料的創新研究新范式.彈性波與力學超材料是整個超材料家族的重要組成部分,近年來受到國內外學者的廣泛關注,已經在結構設計、數學模型建立以及應用等方面取得了豐碩的研究成果.

為了系統報道具有奇異波動與力學特性超材料的設計、制造、測試與應用研究,《力學學報》組織了本次的“彈性波與力學超材料設計與應用”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超材料研究中的前沿性、創新性研究成果.

湖南大學王凱、周加喜等撰寫了《低頻彈性波超材料若干進展》.他們首先簡要介紹了超材料開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構與低頻帶隙實現方法、低頻帶隙優化與調控策略、低頻帶隙潛在應用等三個方面詳細總結低頻彈性波超材料的研究工作.進一步,通過總結低頻彈性波超材料的研究進展,他們指出了目前低頻超材料在工程應用中所面臨的挑戰.論文提出基于拓撲優化方法,創新設計具有承載能力的結構化小剛度局域振子,是低頻超材料進一步發展的關鍵.如何對含有非線性的超材料進行數學建模,并求解超材料的高維非線性方程,是設計超材料并評估其性能的核心問題.拓寬低頻帶隙寬度,強化帶隙內彈性波衰減效果以及對低頻帶隙位置進行主動調控是拓展超材料在振動抑制方面應用的另一關鍵性問題.

彈性波在色散關系經過設計的梯度結構中傳播時會產生彈性波彩虹捕獲效應,即不同頻率的彈性波會在結構的不同位置停止向前傳播并發生能量聚集.西北工業大學王芳隆、沈一舟、徐艷龍等撰寫了《彎曲波彩虹捕獲效應及其在能量俘獲中的應用》,通過所設計的梯度結構梁,分析了彎曲波彩虹捕獲效應的產生機理,并通過有限元仿真和實驗驗證了彎曲波彩虹捕獲效應的空間分頻現象和波場能量增強現象,最后通過有限元多物理場耦合仿真和實驗,系統地研究了彎曲波彩虹捕獲效應在壓電能量俘獲中的應用.

力學超材料中的彎曲梁雙穩態結構由于其主動調控性強且調控精度高等優點近年來受到廣泛關注.中國科學院力學研究所肖伯雅等人撰寫了《可重構力學超材料的設計與波動特性的研究》.他們利用中心受壓彎曲梁的不穩定性設計了六角型雙穩態結構,并首先研究了六角型可重構結構幾何參數對其整體力學性能的影響;之后在具備雙穩態特性結構的基礎研究了構型變化對結構色散關系的影響并進行了相應的頻率響應計算驗證.結果表明,可以通過六角型可重構結構幾何參數的設計實現對結構整體性能的主動調控,為可逆向設計的彈性波超材料結構研究分析提供了一條可靠路徑.

點陣結構的周期和多孔特征使其相較于普通的實體結構具有輕質、耐沖擊、減振降噪和高比強度等優勢,在航空航天和船艦等領域具有十分廣泛的應用前景.西南科技大學任怡與武漢第二船舶設計研究所張昊等撰寫了《金字塔點陣圓筒結構軸向彈性波傳遞特性研究》.他們以金字塔點陣圓筒結構為對象,根據結構參數進行參數化建模,并利用有限元仿真軟件計算了點陣圓筒結構軸向振動特性,系統研究了單胞的寬、高以及桿件直徑等關鍵參數對減振效果的影響,根據分析結果設計了一種具有低頻寬帶減振性能的金字塔點陣圓筒結構,并通過振動測試實驗對結構的減振性能進行了驗證.

折紙結構和折紙超材料具有無窮的設計空間,突出的變形狀、變大小、變拓撲特性,以及由折疊誘發的超常規力學特性,在最近幾年迅速成為數學、物理和工程學科的研究前沿和熱點.清華大學王海瑞、申薛靖等撰寫了《折紙超材料折展穩態特性的研究》.他們針對新型折紙超材料穩態機理不清晰的問題,采用扭轉彈簧等效法和能量原理,對折紙超材料在復雜內部構型及折展運動協同作用下的力學行為進行了理論研究,建立了超材料構型在折展變形過程中的力學模型,分析了構型幾何參數對折展外載荷的影響規律,為新型折紙超材料穩態性能的調控和構型設計提供了可借鑒的思路.

拉脹超材料因其負泊松比特性而具有優異的多向能量吸收和體積變化可調性,使其在航天航空和軍工設備等領域具有廣闊的應用前景.西南石油大學朱一林、江松輝、于超撰寫了《增強六手臂缺失支柱手性拉脹超材料力學性能理論研究》.在前期研究工作中,他們提出了一種在大變形范圍內具有可調恒定負泊松比的新型增強六手臂缺失支柱手性拉脹超材料.為了揭示微觀結構-力學性能關系,并進一步指導超材料目標參數設計,他們在小變形框架下基于能量法建立了表征該拉脹材料等效泊松比和彈性模量的理論模型,并為便于理論模型的應用,開發了MATLAB 圖形用戶界面,輸入幾何參數就可以直接獲取相應結構的等效力學性能參數,系統研究了關鍵幾何參數對增強六手臂缺失支柱手性拉脹超材料力學性能的影響規律.

由于專題篇幅限制,本次專題僅粗略涵蓋了彈性波與力學超材料的理論研究、設計方法與應用技術等方面的內容,期望以本專題為契機,進一步促進彈性波與力學超材料的理論創新與關鍵技術突破.最后,感謝《力學學報》編輯部對本專題的支持！也特別感謝所有論文作者以及審稿專家對本專題出版的重要貢獻和大力支持！