【摘 要】
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具有手性特征的蜂窝超材料是一类高性能工程材料,“超”体现在其具有的特殊性质,譬如高比刚度、负泊松比、优异的可设计性、出色的隔振以及控制弹性波传播的能力等,使其在航空航天、包装工程等众多领域具有可观的发展前景。本文采用数值模拟的方式,深入研究了一种新型手性蜂窝超材料的带隙特性与面内冲击性能。首先,开展有关带隙特性的研究。通过有限元软件结合Bloch定理,模拟了限定频率范围内的能带图;分析振动模态与带
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具有手性特征的蜂窝超材料是一类高性能工程材料,“超”体现在其具有的特殊性质,譬如高比刚度、负泊松比、优异的可设计性、出色的隔振以及控制弹性波传播的能力等,使其在航空航天、包装工程等众多领域具有可观的发展前景。本文采用数值模拟的方式,深入研究了一种新型手性蜂窝超材料的带隙特性与面内冲击性能。首先,开展有关带隙特性的研究。通过有限元软件结合Bloch定理,模拟了限定频率范围内的能带图;分析振动模态与带隙分布的关系;开展几何参数对带隙分布的影响。研究结果表明,所研究的超材料具有良好的带隙效果,带隙的相对位置与宽度对韧带厚度变化具有高度的敏感性;手性角的变化虽然不能改变带隙的分布,但随着手性角增大,第一带隙逐渐向低频移动。然后,开展手性超材料隔振性能的研究。将有限个蜂窝超材料制成夹芯结构,施加位移激励并获取频率响应曲线,结果证明了前期数值模拟的准确性以及新型手性蜂窝超材料良好的隔振性能;将三组元手性蜂窝超材料与单相蜂窝材料相组合,来优化夹芯结构的隔振性能。最后,开展有关面内冲击性能的研究。通过有限元软件ABAQUS/Explicit模块进行建模与仿真计算。研究了不同面内冲击速度下构件的宏观变形模式;深入探讨了韧带长度以及面内冲击速度对构件动力学响应曲线、能量吸收能力等影响。结果表明,在不同冲击速度下构件下表现出三种不同的变形模式;平台应力与连接韧带长度成反比与冲击速度成正比;比吸收能量随着面内冲击速度的增大而增大。本文的数值模拟数据使我们进一步了解二维手性蜂窝超材料的特性,为实际工程的应用提供了一定的理论参考。
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