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Pentamode metamaterials for acoustic wave control 被引量:1
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作者 Zhaohong Wang Chengxin Cai +1 位作者 Yangyang Chu Guangshun Liu 《光电工程》 CAS CSCD 北大核心 2017年第1期122-122,共1页
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Effects of Structural Parameters on the Poisson’s Ratio and Compressive Modulus of 2D Pentamode Structures Fabricated by Selective Laser Melting 被引量:4
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作者 Lei Zhang Bo Song +5 位作者 Ruijie Liu Aiguo Zhao Jinliang Zhang Linrong Zhuo Guiping Tang Yusheng Shi 《Engineering》 SCIE EI 2020年第1期56-67,共12页
Metamaterials have been receiving an increasing amount of interest in recent years. As a type of metamaterial, pentamode materials (PMs) approximate the elastic properties of liquids. In this study, a finite-element a... Metamaterials have been receiving an increasing amount of interest in recent years. As a type of metamaterial, pentamode materials (PMs) approximate the elastic properties of liquids. In this study, a finite-element analysis was conducted to predict the mechanical properties of PM structures by altering the thin wall thicknesses and layer numbers to obtain an outstanding load-bearing capacity. It was found that as the thin wall thickness increased from 0.15 to 0.45 mm, the compressive modulus of the PM structures increased and the Poisson’s ratio decreased. As the layer number increased, the Poisson’s ratio of the PM structures increased rapidly and reaches a stable value ranging from 0.50 to 0.55. Simulation results of the stress distribution in the PM structures confirmed that stress concentrations exist at the junctions of the thin walls and weights. For validation, Ti–6Al–4V specimens were fabricated by selective laser melting (SLM), and the mechanical properties of these specimens (i.e., Poisson’s ratio and elastic modulus) were experimentally studied. Good consistency was achieved between the numerical and experimental results. This work is beneficial for the design and development of PM structures with simultaneous load-bearing capacity and pentamodal properties. 展开更多
关键词 metamaterials pentamode materials Finite-element analysis Selective laser melting
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Pentamode-Based Coding Metasurface for Underwater Acoustic Stealth
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作者 Li He Li Cai Xing Chen 《Journal of Applied Mathematics and Physics》 2021年第7期1829-1836,共8页
<div style="text-align:justify;"> Coding metasurface draws amounts of research interests due to its potential for achieving sophisticated functions in wave manipulation by using simple logical unit cel... <div style="text-align:justify;"> Coding metasurface draws amounts of research interests due to its potential for achieving sophisticated functions in wave manipulation by using simple logical unit cells with out-of-phase responses. In this paper, we present a novel acoustic coding metasurface structure for underwater sound scattering reduction based on pentamode metamaterials. The metasurface is composed of two types of hexagonal pentamode unit cells with phase responses of 0 and π respectively. The units are arranged in random 1-bit coding sequence to achieve low-scattering underwater acoustic stealth effect. Full-wave simulation results are in good accordance with the theoretical expectation. The optimized arrangement resulted in the distribution of scattered underwater acoustic waves and suppression of the far field scattering coefficient over a wide range of incident angles. We show that pentamode-based coding metasurface provides an efficient scheme to achieve underwater acoustic stealth by ultrathin structures. </div> 展开更多
关键词 pentamode metamaterials Coding Metasurface Structure Underwater Sound Scattering
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激光选区熔化成形镍钛基五模超材料力学响应研究
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作者 张磊 魏帅帅 +4 位作者 宋波 李敬洋 张建超 祁俊峰 史玉升 《航空制造技术》 CSCD 北大核心 2022年第14期92-100,109,共10页
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... 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。 展开更多
关键词 五模超材料(pms) 激光选区熔化(SLM) 形状记忆合金 力学性能 有限元仿真
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基于五模材料的圆柱声隐身斗篷坐标变换设计 被引量:7
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作者 陆智淼 蔡力 +1 位作者 温激鸿 温熙森 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2016年第17期282-289,共8页
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... 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. 展开更多
关键词 五模材料 声隐身斗篷 声学超材料 变换声学
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用于声波调控的五模式超材料 被引量:5
6
作者 王兆宏 蔡成欣 +1 位作者 楚杨阳 刘广顺 《光电工程》 CAS CSCD 北大核心 2017年第1期34-48,共15页
五模式超材料由于具有各向异性的弹性模量,在声波调控和声隐身方面有重要的潜在应用,因此受到了国内外的广泛关注。本文从五模式超材料的基本概念出发,对布拉格散射型五模式超材料的声学性质、弹性及力学性质的研究进展进行详细介绍,进... 五模式超材料由于具有各向异性的弹性模量,在声波调控和声隐身方面有重要的潜在应用,因此受到了国内外的广泛关注。本文从五模式超材料的基本概念出发,对布拉格散射型五模式超材料的声学性质、弹性及力学性质的研究进展进行详细介绍,进一步介绍了我们所研究的局域共振型五模式超材料的声学和弹性性质,并对五模式超材料的数值计算方法、加工制备和测试技术进行详细介绍。另外还对五模式超材料的目前尚未解决的科学及工程问题进行分析讨论。受到结构调控的局域共振型五模式超材料兼具各向异性弹性模量和局域共振型声子晶体低频完全声子禁带的特性,为低频声波减振降噪及低频声隐身带来新的设计思路。 展开更多
关键词 声波调控 五模式超材料 布拉格散射 局域共振
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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 被引量:1
7
作者 蔡成欣 陈韶赓 +2 位作者 王学梅 梁俊燕 王兆宏 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第13期129-136,共8页
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... 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. 展开更多
关键词 五模超材料 各向异性 声子带隙 品质因数
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局域共振型五模超构材料的低频声波调控方法 被引量:2
8
作者 蔡成欣 宁博 +4 位作者 周路人 梁俊燕 秦瑶 楚杨阳 王兆宏 《中国材料进展》 CAS CSCD 北大核心 2021年第1期34-47,21,共15页
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... 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。 展开更多
关键词 五模超构材料 局域共振 低频声波 有限元方法 复合材料 人工增材制造
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五模声学超表面理论分析与定向反射声学仿真 被引量:2
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作者 郝潇潇 王真 +1 位作者 赵志高 沈敏 《应用声学》 CSCD 北大核心 2021年第6期904-910,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 广义斯奈尔定律 声学超表面 五模材料 声场调控 微结构
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五模材料波控器件设计及制造研究综述
10
作者 赵爱国 邹晗 +4 位作者 赵志高 张满弓 陈虹 王真 张向东 《航空制造技术》 CSCD 北大核心 2022年第14期80-91,共12页
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... 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。 展开更多
关键词 声学超材料 五模材料 微结构设计 声波调控 增材制造(AM)
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力学超材料的构筑及其超常新功能 被引量:10
11
作者 于相龙 周济 《中国材料进展》 CAS CSCD 北大核心 2019年第1期14-21,41,共9页
力学超材料是具有反直觉力学性质的人工微结构,其性能取决于人工原子的几何结构而不是材料组分。典型的力学超材料通常与4个弹性常数相关联:杨氏模量E,剪切模量G,体模量K和泊松比v。按所调控弹性常数的不同,将几何结构种类繁多的力学超... 力学超材料是具有反直觉力学性质的人工微结构,其性能取决于人工原子的几何结构而不是材料组分。典型的力学超材料通常与4个弹性常数相关联:杨氏模量E,剪切模量G,体模量K和泊松比v。按所调控弹性常数的不同,将几何结构种类繁多的力学超材料分类为负泊松比拉胀材料(v<0,G>>K)、剪切模量消隐五模式反胀材料(G<<K)、负压缩性材料(-4G/3<K<0)、模式转换可调刚度材料(E)、低密度超强仿晶格材料(E/ρ)、负热膨胀材料。基于人工晶格结构和手性/反手性几何结构单元,扼要地论及在人工几何构筑方面的基本情况,以及不同构型与超常力学性能之间的联系。从而为拓展力学超材料的研究领域提供了系统性的架构,展望了面向3D打印技术制备的力学超材料的发展前景。 展开更多
关键词 力学超材料 负泊松比 五模式 轻质超强 负热膨胀
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一种五零能模式材料的单胞结构参数与频散特性分析
12
作者 梁坤 王晓明 梅玉林 《农业装备与车辆工程》 2016年第9期7-10,27,共5页
五零能模式材料是一类人工超材料,在隐声斗篷和声透镜制作等领域具有巨大的前景,因而受到广泛关注。针对一种五零能模式材料单胞构型,利用有限单元法分析了该单胞在低频范围内的频散特性,并与准静态分析结果进行对比,两者计算结果基本... 五零能模式材料是一类人工超材料,在隐声斗篷和声透镜制作等领域具有巨大的前景,因而受到广泛关注。针对一种五零能模式材料单胞构型,利用有限单元法分析了该单胞在低频范围内的频散特性,并与准静态分析结果进行对比,两者计算结果基本一致。同时,探讨了单胞内圆台长度和立方体边长的长度分别对该材料波速的影响规律,结果表明这两种结构参数的增大均能提高材料的波速比和等效弹性模量之比。 展开更多
关键词 五零能模式材料 有限元方法 频散特性 结构参数
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3D Printed Biomimetic Metamaterials with Graded Porosity and Tapering Topology for Improved Cell Seeding and Bone Regeneration
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作者 Lei Zhang Bingjin Wang +4 位作者 Bo Song Yonggang Yao Seung-Kyum Choi Cao Yang Yusheng Shi 《Bioactive Materials》 SCIE CSCD 2023年第7期677-688,共12页
Biomimetic metallic biomaterials prepared for bone scaffolds have drawn more and more attention in recent years.However,the topological design of scaffolds is critical to cater to multi-physical requirements for effic... Biomimetic metallic biomaterials prepared for bone scaffolds have drawn more and more attention in recent years.However,the topological design of scaffolds is critical to cater to multi-physical requirements for efficient cell seeding and bone regeneration,yet remains a big scientific challenge owing to the coupling of mechanical and mass-transport properties in conventional scaffolds that lead to poor control towards favorable modulus and permeability combinations.Herein,inspired by the microstructure of natural sea urchin spines,biomimetic scaffolds constructed by pentamode metamaterials(PMs)with hierarchical structural tunability were additively manufactured via selective laser melting.The mechanical and mass-transport properties of scaffolds could be simultaneously tuned by the graded porosity(B/T ratio)and the tapering level(D/d ratio).Compared with traditional metallic biomaterials,our biomimetic PM scaffolds possess graded pore distribution,suitable strength,and significant improvements to cell seeding efficiency,permeability,and impact-tolerant capacity,and they also promote in vivo osteogenesis,indicating promising application for cell proliferation and bone regeneration using a structural innovation. 展开更多
关键词 Biomimetic biomaterials pentamode metamaterials Selective laser melting Mass-transport properties Bone scaffolds
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五零能模式材料设计的非线性有限元计算方法 被引量:2
14
作者 易辉 王晓明 梅玉林 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第4期297-318,共22页
五零能模式材料是一种新型人工超材料,特征为其弹性模量矩阵的6个特征值中5个为零,可用等效体积模量来描述,表现出类似流体的性质,可被应用于声学隐声斗篷的设计中.然而,根据Norris A N[1]提出的理论,设计五零能模式材料时,与应用变换... 五零能模式材料是一种新型人工超材料,特征为其弹性模量矩阵的6个特征值中5个为零,可用等效体积模量来描述,表现出类似流体的性质,可被应用于声学隐声斗篷的设计中.然而,根据Norris A N[1]提出的理论,设计五零能模式材料时,与应用变换声学方法设计一般声学人工超材料不同,要求其满足一非线性偏微分方程约束.论文利用非线性有限元的完全拉格朗日方法,推导了这一偏微分方程的弱形式,并给出了相应的非线性有限元计算列式,以及迭代求解的具体算法.最后,给出了五零能摸式材料设计的二维和三维坐标变换数值算例. 展开更多
关键词 五零能模式材料 坐标变换设计方法 完全拉格朗日方法 非线性有限元方法
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两种五零能模式材料单胞构型及其性能分析 被引量:3
15
作者 徐冰 王晓明 梅玉林 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第4期290-296,共7页
五零能模式材料是一种新型的人工超材料,虽属于弹性材料,但组成其单胞的特殊构型使其宏观静态表现为仅能承载一种受力状态,动态表现为仅能传播一种弹性波.论文首先构造了两种五零能模式材料的单胞构型,其具有不同的弹性特性,其中一种材... 五零能模式材料是一种新型的人工超材料,虽属于弹性材料,但组成其单胞的特殊构型使其宏观静态表现为仅能承载一种受力状态,动态表现为仅能传播一种弹性波.论文首先构造了两种五零能模式材料的单胞构型,其具有不同的弹性特性,其中一种材料可传播弹性膨胀波,另一种可传播弹性剪切波.然后分别采用代表体元法和渐近均匀化法分析这两种单胞的等效弹性模量.五零能模式材料的分析分为两步更直观,开始从单胞桁架模型入手,检验单胞构型是否满足五零能模式的定义,然后分析单胞实体模型,考察单胞构型的结构参数与其等效弹性模量的关系.研究表明对于这种低密度弹性材料的分析,代表体元法更适合. 展开更多
关键词 五零能模式材料 声学斗篷材料 代表体元法 渐近均匀化法 等效弹性模量
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五模声学超表面分段设计及其波控性能分析
16
作者 王真 尹雪琴 +1 位作者 赵志高 沈敏 《华中科技大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期19-25,共7页
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... 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. 展开更多
关键词 声学超表面 五模超构材料 微结构 能带分析 均匀化
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