圆柱形分层五模材料声学隐身衣的理论与数值分析

声学隐身衣物性参数分布的连续性对制备造成了很大困难,需要采用分层的方法进行近似.研究分层对隐身衣性能的影响具有重要意义.本文首先推导了圆柱形分层声学隐身衣散射声压场的理论解,然后通过数值算例验证了理论推导的正确性,最后针对层数、层厚分布对隐身衣性能的影响进行了计算研究.结果表明,选取恰当的层数和层厚分布可在不增加制备难度的同时改善隐身衣性能.

五模材料及其水声调控研究

五模材料是一种具有固体特征的复杂流体,可通过超材料技术由固体材料经过微结构精心设计近似得到.可调的模量各向异性和固体特征赋予五模材料优越的水声调控能力,在降低水下物体目标强度等领域有着重要潜在应用,因此受到了国内外工程和学术界关注.本文就五模材料基本概念、微结构设计、声波调控、加工制备等方面对该类材料的研究进展进行详细介绍,并对五模材料在工程中应用存在的问题进行了讨论,以期为后续相关研究者提供参考.

基于五模材料的圆柱声隐身斗篷坐标变换设计

五模超材料具有与流体相似的物理性质,为各向异性流体的物理实现提供了途径,因此Norris提出了将其用于声隐声斗篷设计的思路.本文对Norris五模超材料声隐声斗篷设计中提出的坐标变换方程进行研究,利用有限元方法对不同坐标变换下声隐声斗篷的平均可视度进行数值计算,分析了五模超材料斗篷的隐身性能影响因素及规律.结果表明,通过选取不同的坐标变换方程改变其物性参数分布,能够调节斗篷中的声波传播路径,对声隐声斗篷的声散射特性产生明显影响.因此,选择合适的坐标变换方程能够有效改善隐身性能.

双锥型五模材料低频声波调控及参数设计

为有效控制噪声并进行声波调控,构造了双锥区域为TC4钛合金、节点区域为硫化橡胶的六边形排列双锥五模材料,进行能带分析发现其具有较窄的低频声子带隙和单模传输区域。为提高五模材料的低频声波调控性能,设计了正方形和三角形排列构型,结果表明三角形排列的双锥五模材料带隙的频率更低,带宽更宽,且具有单模传输性能和较好的五模特性。此外分别探究了五模材料构型的材料参数(包括双锥区和节点区的密度、泊松比和杨氏模量)以及几何参数(包括双锥宽和节点半径的变化)对带隙及单模传输区域的影响,得到带隙和单模传输区的变化规律,选择密度较轻的填充材料、较小的双锥宽和较大的节点半径不仅可以提高低频声波调控性能,而且可以降低结构质量,提高结构的稳定性。该文结果对用于低频声波传播调控的五模材料的构型和参数的设计具有一定的借鉴意义。

五模材料波控器件设计及制造研究综述

五模材料是一种具有流体特性的特殊固体,可通过微结构设计达到所需的特定力学性能。可调的物性参数和固体特征赋予五模材料优越的宽频水声调控能力,在水下声学隐身、声聚焦等特种声学装备领域具有重要的应用前景,受到国内外工程界和学术界关注。首先介绍了五模材料的基本概念及微结构设计的发展现状,从传统制造工艺和增材制造工艺角度出发,对相应的五模材料波控器件的制造和试验测试结果进行详细介绍,最后对五模材料波控器件的发展趋势和技术需求进行了展望。

基于遗传算法的五模材料分层优化

由于超材料的微结构尺度不能忽略,利用超材料微结构所集成的器件等效参数不是连续分布的,而是呈离散分布的。因此在利用超材料设计声学器件的过程中,需要对器件进行分层离散化,而分层方案的选取往往会影响器件的工作效果。该文基于五模材料水下隐身衣的设计理论,提出了一种基于遗传算法的五模材料隐身衣分层优化策略,并分别对优化前和优化后的分层隐身衣做了声学仿真。仿真结果表明采用优化策略后,隐身衣背景声场的散射能量和反射能量均有大幅度降低,并且对窄带探测信号和宽带探测信号均有较好的隐身效果,因此该分层优化策略能够显著提升隐身衣的隐身效果。该文所提出的分层优化策略为提升五模材料隐身衣性能提供了理论支持,并可以进一步推广至其他超材料器件的微结构设计中。

二维蜂窝五模材料的能带特性与品质因子分析

五模超材料是一种解除拉压与剪切耦合的特殊固体材料,呈现出类似流体的性质,在声呐透声窗、吸声隔振等领域都有着长足的应用前景。过往的研究表明,增大五模材料的各向异性可以有效提升其声学性能。论文利用有限元仿真方法,对现有的二维蜂窝状均质五模材料的进行各向异性调节设计,并对其能带结构及品质因子进行了分析。结果表明,随着不同各向异性构造方法程度的增加,二维蜂窝状五模材料的单模传输频带与声子禁带的相对带宽发生显著改变,品质因子也得到了一定提升,该研究可为二维五模材料在舰船声学应用领域提供设计思路。

五模点阵材料静态力学性能研究

为研究五模点阵材料的力学性能,通过增材制造技术,制作了四个五模点阵材料模型,并进行了静态力学试验。通过静态力学试验,获取了五模点阵材料模型的弹性模量和剪切模量,并通过仿真验证了静态力学试验结果的准确性。静态力学试验和仿真结果验证了胞元等效力学参数计算公式的准确性。分析了试验中个别模型误差较大的原因,并给出了解决措施。相关结论对五模点阵材料静态力学试验有一定指导意义。

非轴对称五模超材料低频声波调控分析

为实现轻质材料对低频声波的有效调控,在传统对称双锥五模超材料构型的基础上,以引入掺杂材料、飞镖型结构的方式构造了具有局域共振特性的非轴对称五模超材料单胞,通过能带分析发现其具有较宽的单模区域与低频性更优的声子禁带。此外还探究了飞镖结构节点圆半径、锥角和掺杂材料模量对能带结构与品质因数的影响。研究结果表明,单胞品质因数随着掺杂材料杨氏模量的提升而增大,单胞对低频声波的调控能力随着结构对称性的降低而变强。所设计的非轴对称单胞单模区域绝对带宽增大到原来的2.5倍,第一带隙相对带宽提升了57%。这为用于低频声波调控的五模超材料单胞构型设计提供了思路。

五模点阵环状结构对碰撞冲击应力波的调控研究

为研究五模点阵环状结构对于碰撞冲击应力波的调控效果,基于坐标变换理论和增材制造技术,设计制作了五模点阵环状结构试验模型,通过冲击试验及仿真发现,五模点阵环状结构内环迎冲面的应变峰值明显小于内环背冲面,应力在五模点阵环状结构中有明显分叉趋势,可以有效降低迎冲面的应力集中。相较于等质量实心圆环,五模点阵环状结构内环迎冲面应变峰值降低了53%,内环背冲面应变峰值升高了18%。计算并分析五模点阵胞元的频散曲面发现,频散曲面等值线法向量的方向分布可以准确反映材料中的能流方向,在此基础上研究了胞元结构对能流特性的影响。相关结论可为潜艇抗冲击防护提供一定参考。

五模点阵环状结构对碰撞冲击弹性波的调控试验研究

为研究五模点阵环状结构对碰撞冲击弹性波的调控效果,采用增材制造技术设计制作了3个五模点阵环状结构试验模型,通过冲击试验发现,试验模型内环迎冲面应变峰值均小于背冲面,这与传统环状结构有明显不同。此外,对比3个试验模型的调控效果发现,较小的胞元壁厚和胞元无配重有利于提升五模点阵环状结构对冲击弹性波的调控效果。进一步通过仿真发现,相较于等质量均质圆环,五模点阵环状结构可使迎冲面应力峰值最高降低76.3%,并将冲击波向两侧“疏导”,从而表现出显著的绕射效果。通过计算五模点阵胞元的频散曲线,获得了胞元主方向的群速度大小,在此基础上发现,胞元群速度各向异性对冲击弹性波的调控效果有明显影响,群速度各向异性越大,对冲击弹性波的调控效果越好。相关结论可以为潜艇结构抗冲击防护提供一定参考。

激光选区熔化成形镍钛基五模超材料力学响应研究

五模超材料(Pentamode metamaterials,PMs)具有解耦的相对密度和力学性能,在特种声学装备和生物植入物领域具有潜在应用价值。激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)技术具有成形复杂精细晶格超材料的能力,可实现定制刚度、单元尺寸和孔隙率。通过五模超材料结构优化设计,利用激光选区熔化成形镍钛形状记忆合金,实现了不同形态的五模超材料结构成形,并开展模拟和性能测试表征研究。微观形貌的观测结果显示,SLM成形的镍钛基五模超材料具有较好的制造保真度。有限元仿真预测结果发现应力集中于杆与杆的连接处。压缩力学试验结果显示,镍钛基五模超材料的强度随着相对密度的增大而增大。通过建立相对密度和相对模量与强度的数学模型,提出了不同相对密度五模超材料的力学性能预测方法。

各向异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数

五模超材料是一类可以解除剪切模量的人工固体微结构,具有类似流体的性质,在声波调控中有着潜在的应用.声学变换作为声波调控的一种重要手段,在超材料声学器件的设计中被广泛使用.声学变换的引入会压缩均匀各项同性五模超材料.因此,需要研究各向异性对三维非对称双锥五模超材料带隙及品质因数的影响.本文利用有限元方法,对各项异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数进行了研究.研究结果表明,三维非对称双锥五模超材料单模区域的相对带宽随着各向异性的增大而减小,第一带隙的相对带宽增大到123%,品质因数增大到6.9倍.本研究可为声学变换在三维非对称双锥五模超材料中的应用提供指导.

局域共振型五模超构材料的低频声波调控方法

五模超构材料是一类具有固体结构与"流体"特性的人工微结构,由于较好的压缩波与剪切波的解耦合能力、较低的填充率、丰富的晶格构型及可调参数较多等特点,在声波/弹性波隐身衣、声学波导、声学超构表面等声波调控领域具有潜在应用。由单质材料组成的五模超构材料可以被看作是布拉格散射型的声子晶体,其工作频率在高频波段,而目前针对低频声波调控的五模超构材料的研究还比较少。从3个部分介绍局域共振型五模超构材料的低频声波调控方法和研究进展:首先,对五模超构材料的基本概念及国内外研究现状进行介绍;其次,对两种局域共振型五模超构材料的设计及数值计算过程、能带结构及带隙调控方法进行介绍;最后,对五模超构材料的样件加工技术及测试手段进行介绍,并对局域共振型五模超构材料研究中亟待解决的科学及工程问题进行总结及展望,期望为后续五模超构材料在低频声波控制领域的研究及工程应用提供参考。

五模声学超表面理论分析与定向反射声学仿真

以广义斯奈尔定律为理论依据,对五模声学超表面定向反射的基本原理进行了解析推导和理论分析,获得了五模超表面的理想连续物性参数分布,并给出了五模超表面尺寸设计准则;然后将超表面离散,获得离散单胞的密度和体积模量,并以此为目标进行五模微结构设计,采用均匀化理论计算微结构的等效物性参数;最后,进行了水下声场的声波定向反射调控仿真实验,研究了入射波频率对超表面定向反射性能的影响,仿真结果展现了五模超表面宽频有效的声波调控能力以及调控的可靠性和准确性。该文的研究工作为五模声学超表面的设计和物理实现提供理论指导。

基于BP神经网络遗传算法的五模声隐身多层结构优化

为了解决五模材料的声隐身理论中,由于材料制备复杂很难实现的问题,将斗篷简化为多层均匀材料参数的层状结构,采用BP神经网络遗传算法,结合声场有限元建模,将散射面积的最小值作为优化目标,对层厚分布进行了优化,确定五模材料的低散射斗篷设计方案。优化计算结果表明,当目标频率为5 kHz,斗篷层数时5层时,优化后的散射面积比均匀分层结构的减小了87%。

电磁╱水下隐身减阻一体化超结构增材制造及性能研究

本文提出了一种电磁隐身—水下隔声—超疏水减阻一体化超材料结构,用于跨介质飞行器蒙皮结构,可以实现空中隐身、水下降噪、水下减阻等多种功能和超材料结构的小型化和轻量化。所设计的旋转堆叠金字塔吸波器有效扩展了电磁波吸收带宽,斜蜂窝五模材料在实现高效隔离水下声波的同时,还具备较高的结构强度,可作为电磁超材料的基板。在电磁超材料的基础上,通过使用增材制造和超声空化技术,形成了不同微纳尺度的各向异性表面超疏水结构,减小了水下阻力,实现了流动控制。该一体化超结构材料在跨介质飞行器结构设计领域具有广阔的应用前景。

五模点阵环状结构在碰撞冲击作用下的动态响应特性

基于坐标变换理论和五模特征参数设计,采用增材制造技术制作五模点阵环状试验模型。通过落锤冲击试验发现,模型内环迎冲面的应变峰值远小于背冲面,这与传统环状结构明显不同。进一步仿真发现,五模点阵环状结构可将迎冲面的应力波向两侧“疏导”,从而表现出显著的绕射效果。与等质量的实心圆环相比,试验模型内环迎冲面的应变峰值最大可减小65.7%,应力峰值可减小70%以上。通过绘制五模点阵胞元的频散曲线,获得表征冲击能流特征的群速度分布规律。在此基础上,研究等效力学参数圆环的群速度各向异性程度对能流矢量的影响,为潜艇结构抗冲击防护提供参考。

五模声学超表面分段设计及其波控性能分析

为拓宽五模微结构可实现的等效物性参数范围,提出采用两种基材对超表面分段设计的方法.在五模超表面理论推导的基础上,以Norris提出的微结构为基本构型,采用均匀化理论计算微结构的等效模量矩阵,对微结构几何参数进行优化设计,获得了具有铝和钛合金两段基材的反射式声学超表面.结合能带分析和定向反射仿真实验,分析了微结构声学特性及其对超表面波控性能的影响,仿真结果表明:具有两种基材的超表面能够实现较宽的模量和密度分布,从而保证所需声速梯度,仿真结果验证了方法的可行性和有效性.本方法为五模超材料设计提供了一种新途径,对于大空间或大角度的声波调控具有重要的工程应用价值.