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采用局域共振超材料混凝土提升结构消波防护性能:综述和展望
1
作者 姚未来 刘元雪 +3 位作者 孙涛 赵宏刚 穆锐 雷屹欣 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期1-14,共14页
超材料是一种通过设计获得的人造材料,具备自然材料所不具备的超常物理性能,这种特殊性能并非来自于材料组分,而是来源于经过特别设计过的人工结构。超材料最初源自电磁学领域,可表现出频率禁带(带隙),即在该频谱范围内,电磁波传输将被... 超材料是一种通过设计获得的人造材料,具备自然材料所不具备的超常物理性能,这种特殊性能并非来自于材料组分,而是来源于经过特别设计过的人工结构。超材料最初源自电磁学领域,可表现出频率禁带(带隙),即在该频谱范围内,电磁波传输将被有效抑制。这种能对电磁波加以操控和处理的特性为解决各类工程问题提供了方便,激发了人们将其迁移至其他学科领域的热情。随后,声学超材料被提出,可对声波进行类似的操控,实现消声和隔音。与之相似,力学超材料也应运而生,可利用带隙特性对应力波进行处理,实现消波、滤波,提升结构的防护性能。超材料混凝土是力学超材料在土木工程领域的一项具体应用,其利用人工骨料的局域共振行为产生带隙,实现特定频率应力波的阻断。可见,超材料混凝土从波的操控角度实现了防护性能,与传统防护材料通过强度、韧性实现防护目的的本质不同,具有明显的创新性,开展相关研究对提升结构的防护性能具有重要意义。本文对超材料混凝土自提出至今的主要研究进行系统梳理,立足于工程应用视角,对超材料混凝土消波的实际验证、共振骨料带隙特征及设计准则、共振骨料空间分布及掺量效应、动荷载下的能量转移规律、共振骨料的改造五个方面进行综述,最后总结了当前研究的主要结论,并紧扣工程实际应用提出了对未来研究的展望。 展开更多
关键词 超材料混凝土 能量带隙 消波滤波 防护工程
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超材料混凝土减振性能研究现状与展望
2
作者 熊剑荣 任凤鸣 +1 位作者 田时雨 黎永盛 《复合材料学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期656-671,共16页
超材料混凝土作为一种具有振动衰减效应的新型材料,由包裹弹性软涂层的金属重芯取代天然粗骨料,与砂浆搅拌而形成。当受动力作用时,超材料混凝土能够利用人工骨料局部共振产生的带隙,衰减混凝土的振动响应。近年来,超材料混凝土因其在... 超材料混凝土作为一种具有振动衰减效应的新型材料,由包裹弹性软涂层的金属重芯取代天然粗骨料,与砂浆搅拌而形成。当受动力作用时,超材料混凝土能够利用人工骨料局部共振产生的带隙,衰减混凝土的振动响应。近年来,超材料混凝土因其在高频动力作用下显著的减振性能,在结构抗爆抗冲击领域受到了高度关注,通过改变人工骨料的结构,已经研发出多种形式的超材料混凝土,并针对其振动衰减性能开展了系统的理论分析、数值模拟和试验研究。为推动超材料混凝土在土木工程领域的研究和应用,该研究对超材料混凝土减振性能的研究工作进行了系统地归纳总结,探讨了超材料混凝土在工程性能方面存在的问题和瓶颈,并对超材料混凝土减振性能的研究方向和应用前景进行了展望。 展开更多
关键词 超材料混凝土 人工骨料 局部共振 带隙特征 振动衰减
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超材料混凝土的带隙特征及对冲击波的衰减效应 被引量：3
3
作者 张恩 路国运 +2 位作者 杨会伟 曹瑞东 陈鹏程 《爆炸与冲击》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第6期66-74,共9页
借鉴超材料的研究思路,在混凝土中引入谐振骨料,设计出具有消波特性的超材料混凝土。首先,通过结构动力学方法计算超材料混凝土的有效质量,从而建立了超材料混凝土带隙起始频率及截止频率的简化模型,并给出了带隙起始频率及截止频率的... 借鉴超材料的研究思路,在混凝土中引入谐振骨料,设计出具有消波特性的超材料混凝土。首先,通过结构动力学方法计算超材料混凝土的有效质量,从而建立了超材料混凝土带隙起始频率及截止频率的简化模型,并给出了带隙起始频率及截止频率的理论表达式。然后,分析了涂层弹性模量、芯柱密度、基体密度、骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比对超材料混凝土带隙特征的影响。最后,采用数值模拟的方法,对比了超材料混凝土和普通混凝土对冲击波的衰减效应。研究结果表明:(1)低弹性模量涂层能够形成低频带隙,但带隙宽度较窄,而高弹性模量涂层能够形成较宽的带隙,但带隙起始频率较高;(2)通过选择高密度芯柱材料和低密度基体材料,可以得到低频、宽带隙特征;(3)通过增大骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比可以实现扩宽带隙的目的;(4)与普通混凝土相比,超材料混凝土对冲击波具有更好的衰减作用。 展开更多
关键词 超材料混凝土 带隙特征 起始频率 截止频率 衰减效应
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超材料混凝土抗冲击效应数值研究 被引量：2
4
作者 靳贺欣 陈文苏 +1 位作者 郝洪 郝逸飞 《中国科学：物理学、力学、天文学》 CSCD 北大核心 2020年第2期74-85,共12页
作为一种广泛应用的工程材料,混凝土材料抗拉强度低的缺点限制了其应用.当高速冲击荷载作用在混凝土结构上时,由于混凝土的脆性和较低的抗拉强度,结构后部的混凝土通常会产生严重的层裂破坏.因此,有效降低混凝土的层裂破坏对于提高结构... 作为一种广泛应用的工程材料,混凝土材料抗拉强度低的缺点限制了其应用.当高速冲击荷载作用在混凝土结构上时,由于混凝土的脆性和较低的抗拉强度,结构后部的混凝土通常会产生严重的层裂破坏.因此,有效降低混凝土的层裂破坏对于提高结构性能很重要.近些年学者提出了局域共振超材料,它利用人造微结构的存在能使该超材料呈现出天然材料所不具备的超常物理性质.本文借鉴局域共振超材料的工作原理,通过将混凝土中的部分天然骨料替换为人工骨料超材料来降低冲击荷载下的层裂破坏.通过LS-DYNA,建立考虑随机分布的砂浆、天然骨料和人工骨料的超材料混凝土三维细观模型来进行层裂实验的数值模拟.研究超材料混凝土在冲击荷载作用下的材料性能以及人工骨料的材料属性和几何属性对超材料混凝土动态性能的影响. 展开更多
关键词 超材料混凝土 人工骨料 细观模型 层裂破坏
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拟声子晶体超材料混凝土的低频带隙特性与工程应用
5
作者 肖鹏 缪林昌 +1 位作者 郑海忠 雷利剑 《中国科学：技术科学》 EI CSCD 北大核心 2024年第9期1821-1836,共16页
超材料混凝土是具有弹性波带隙特性的新型复合材料,但因较高的带隙频率和较窄的带隙宽度使其在以低频振动控制为主的工程应用上受到很大限制.首先,本文基于局域共振理论,提出了一种新型三组元水泥基拟声子晶体模型,据此研发出拟声子晶... 超材料混凝土是具有弹性波带隙特性的新型复合材料,但因较高的带隙频率和较窄的带隙宽度使其在以低频振动控制为主的工程应用上受到很大限制.首先,本文基于局域共振理论,提出了一种新型三组元水泥基拟声子晶体模型,据此研发出拟声子晶体超材料混凝土.其次,计算和分析了拟声子晶体超材料混凝土的能带结构、带隙机理和频率响应函数,并开展了拟声子晶体超材料混凝土的室内试验.最后,用研发出的拟声子晶体超材料混凝土制备了拟声子晶体超材料混凝土地铁道床,并应用到实际地铁工程中以解决地铁运营过程中产生的低频振动问题.结果表明,拟声子晶体超材料混凝土在200 Hz频段内打开了6个低频带隙,在带隙频率范围内,衰减值大多都在10 dB以上,衰减效果较好;拟声子晶体超材料混凝土地铁道床在200 Hz频段内具有显著的低频减振效果,隧道壁三分之一倍频程插入损失的最大值为13.22 dB,隧道壁铅垂向最大Z振级差值为5.052 dB,隧道壁铅垂向最大分频振级差值为5.926 dB,4~200 Hz频段内铅垂向分频振级差值平均值为5.74 dB,低频减振效果明显.本文的相关研究成果为地铁工程和其他工程建设中解决低频振动难题提供了新的技术途径,突破了土木工程结构的传统减振控制技术. 展开更多
关键词 拟声子晶体模型 拟声子晶体超材料混凝土 局域共振理论 低频带隙 地铁道床 减振性能
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