学术前沿 | 四韧带手性弹性超材料的带隙特性及形成机制研究

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2025-01-04 21:07

正文

手性弹性超材料由于其不同于传统材料的卓越性能和卓越的机械性能，在减振、降噪、能量吸收和缓冲方面表现出巨大的应用潜力。为了应对低频振动控制的挑战，本文提出了一种具有四个韧带元件的双组分手性弹性超材料结构。该研究探讨了这种结构在 1000 Hz 频率范围内的带隙特性和弹性波传播行为。通过分析晶胞的振动模式并计算弹性波的群速度和相速度，阐明了带隙形成的物理机制。结果表明，所提出的四韧带手性弹性超材料表现出优异的带隙性能，带隙覆盖了 1000 Hz 以下频率范围的 80.4% 以上。这突出了其低频弹性波控制能力，为新型减振和噪声抑制结构的设计以及低频弹性波调节提供了理论参考。

本文研究了在一种新型四肢螺旋弹性超材料中弹性波的传播特性。通过有限元方法，我们研究了其带隙特性，结果表明在1000 Hz范围内，完整带隙比率可达到80.4%，在500 Hz范围内为72.6%。此外，我们还展示了该超材料在带隙范围内衰减弹性波的能力，最大衰减主要发生在300 Hz以下，达到-900 dB。通过对振动模式、等频率轮廓、群速度和相速度的详细分析，全面研究了带隙开启和关闭的机制。结果显示，在低频下，带隙行为主要受中心散射体的影响，而在高频时，带隙行为主要受四肢螺旋的扭曲程度影响。此外，本研究还提供了关于不同频率下弹性波传播的各向异性特性见解，在64 Hz时，弹性波在161°和341°方向上显著传播，而在585 Hz时，则分别在水平方向和垂直方向上表现出明显传播。研究结果还强调了不同频率下弹性波的特定传播方向性，为低频弹性波的控制提供了有价值的理论参考。