三维嵌入薄膜声学超材料动态力学性能分析

摘要

随着现代工业和航天事业的快速发展，对材料性能的要求也越来越高，复合材料因其优良的力学性能得到了越来越多的应用。超材料作为复合材料的一种，其具备天然材料所不具备的一些性能，而且往往比一般的复合材料具有更加优良的力学特性。嵌入薄膜声学超材料作为一种新型的超材料，在低频减振降噪领域有很好的应用前景。此外，因为其薄膜可以很好地调控材料模型在薄膜面内方向上的等效弹性模量，使材料模型具备所需要的各向异性性能，从而实现对波传播的控制，所以嵌入薄膜声学超材料也可以用来设计新型的声学元器件。对嵌入薄膜声学超材料进行力学性能分析，可以对其力学性能进行预测，有助于嵌入薄膜声学超材料的进一步研究和推广应用。 结合变换声学理论对变换介质的材料参数进行计算和设计，找出变换后的材料参数分布与坐标变换之间的关系，就可以控制变换介质中波的传播。变换后的材料需要具有一定的各向异性的力学性能，才能使波按照预设路径进行传播。而嵌入薄膜超材料因其薄膜可以通过调整薄膜参数，使材料模型具备所需求的各向异性性能，因此，嵌入薄膜声学超材料可以很好地应用变换声学的研究。 本文主要对嵌入薄膜声学超材料模型进行了静态和动态有限元分析。对超材料模型进行静态渐进均匀化分析，可以探究薄膜参数对模型各个方向等效弹性模量的影响规律；在对模型的变换进行变换声学计算时，可以根据该规律对具有一定各向异性性能的超材料模型进行设计。对设计出的变形后模型进行有限元瞬态响应分析，以平面波入射超材料模型，观察平面波在超材料模型中的传播情况和平面波特性的保持情况，证明了经过设计的嵌入薄膜声学超材料可以很好地控制波的传播。在进行仿真验证时，在模型的角点处不能严格地保持平面波的传播特性，等效弹性模量在该位置出现了误差；针对该角点误差，最后给出了误差原因分析和减小误差的优化调整方案，减小了角点处等效弹性模量与理想弹性模量之间的误差值。

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