学术前沿 | 利用负泊松比材料的新型抗震超材料设计，具有超宽低频波抑制带

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-08-31 21:30

正文

在本文中，我们提出了一种新型地震超材料（SM），利用负泊松比（NPR）泡沫来抑制兰姆波和表面波。超材料的周期单元由中心的钢制方形圆柱体和角部的NPR泡沫连接器组成。利用NPR材料独特的谐振特性，实现超低频宽带波抑制。首先，使用有限元（FE）方法分析了不同材料所提出的结构的带隙（BG）特性。结果表明，与使用传统橡胶的情况相比，NPR 泡沫的应用可以显着拓宽 BG。通过分析振动模式来研究 BG 产生的机理，结果表明，宽 BG 是通过 NPR 泡沫独特的局部共振机制实现的。随后，采用由10×6晶胞组成的周期结构进行频域分析，验证所设计的SM对兰姆波的屏蔽效果。结果表明，设计的 SM 可以有效衰减 3-44 Hz 范围内的兰姆波，在 32 Hz 时衰减高达 -590 dB。参数分析表明，厚度小、模量高、质量密度低、泊松比低的NPR泡沫可以展宽第一完整BG。此外，声锥法与频域分析相结合，使用由 20 个晶胞组成的周期结构来计算所提出结构对抗表面波的 BG。这表明表面波在 BG 内可以显着衰减。最后，应用真实地震激励进行时域分析，仿真结果表明，该结构能够有效屏蔽0.1~20 Hz范围内的低频地震面波。本文提出的设计方案结构简单、易于实现，相信在地震防护中具有广阔的应用潜力。

本文提出了一种基于NPR泡沫的新型地震阻尼材料，可同时衰减Lamb和瑞利波。该单元结构包含一个位于中心的方形圆柱形钢散射体，以及位于四个角落的NPR泡沫连接器。首先，使用有限元模拟分析了包括传统控制案例在内的三种结构的BG特性。此外，计算并分析了振动模式，以了解BG产生的机制。随后，进行了模拟计算，以计算入射到包含10×6单元单元阵列的周期结构中的Lamb波的位移场。此外，对几何和材料参数对衰减性能的影响进行了参数研究，以寻求第一个完全BG的最佳结构。最后，利用声锥法分析了单元模型在表面波条件下的BGs。此外，还构建了一个由20个单元组成的周期结构，用于频率域和时域分析。总之，所提出的结构在低频下对羊角波和瑞利波具有良好的屏蔽效果，具有简单易实现的几何形状，有望在地震波防护方面具有有前途的应用潜力。得出的结论如下：