专栏名称: COMSOL 多物理场仿真技术
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学术前沿 | 基于连续 CFRP 复合材料制备的多功能声学和机械超材料

COMSOL 多物理场仿真技术  · 公众号  ·  · 2024-12-17 21:19

正文

实现“碳中和”的迫在眉睫的进步需要开发具有声学和机械双重特性的多孔结构,以降低能耗。然而,增强各种功能通常会导致结构重量增加,这限制了在重量敏感应用中使用此类结构的可行性。根据概述的规范,首次引入了一种新颖的结构设计,将碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料与机械和声学超材料相结合。这种创新结构具有轻质成分,具有出色的机械和声学特性。实验结果表明,通过精心的规划和制造,CFRP 复合材料结构可以实现轻质结构、高强度、卓越能量吸收和卓越弹性之间的平衡。通过引入膜和合理的腔体设计,该结构可以通过超材料的局部谐振效应和阻抗匹配机制产生低宽带降噪性能。结构隔声能力打破了传统的质量定律,产生了异常宽的隔声峰值(带宽接近 1000 Hz)。此外,该结构的吸声特性在低于 300 Hz 的频率下超过了三聚氰胺海绵,表现出卓越的低频吸声性能。所提出的结构为多功能轻量化上部结构的设计提供了新的途径

总之,本文提出了一种新颖的设计方法,将声学-机械超材料与轻质、高强度的连续碳纤维增强塑料(CFRP)复合材料相结合,以实现结构机械性能与声学性能的和谐平衡。通过对实验数据和分析数据的综合分析,可以明显看出,新开发的CFRP复合材料花瓣状结构表现出优异的等效压缩模量、独特的负泊松比特性、卓越的能量吸收能力和强韧的变形恢复能力。这些优良特性归因于用于构建结构的连续CFRP材料的优化配置和铺层设计。此外,通过操控结构的堆叠模式(2D/3D),新型CFRP复合材料花瓣状结构在声吸收和隔音方面表现出优异的声学性能。在噪音降低方面,策略性地在二维花瓣状结构的侧边缘引入了穿孔,以建立声波通道。实验证明,这种方法有效地延长了声波在有限空间中的传播通道,将腔体内气体的共振频率降低到显著低的范围,特别是低于300 Hz,并增强了结构对低频声波的整体吸收效率。同时,三维结构的花瓣状核心层既是基础支撑组件,也是替代附加质量的手段,有助于在多抗共振效应(MAM)中生成多个抗共振效果。最终,这种设计实现了高效的声隔离,带宽达到1000 Hz。这解决了传统声学超材料承载能力低的问题,并在交通运输及其他领域具有广泛的应用潜力。


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