手征性超材料结构动态带隙特性分析及优化设计

Chiral metamaterials have extraordinary performances in the aspects of structures, electromagnetics and acoustics. They have important application prospects for lightweight design, electromagnetic stealth and vibration & noise reduction in the aerospace fields. In order to meet the requirements for the special performance in a complex environment, the dynamic control of the band gap and multi-function optimization design of flexible chiral metamaterials are studied from two aspects of electromagnetic and elastic/acoustic wave properties. The main research contents are as follows. First, the effective elastic, electromagnetic and acoustic coupling properties are achieved on the basis of theoretical analysis and numerical simulation. And then, with the consideration of the geometrically nonlinearity of chiral cellular structure, the dynamic relationship between the equivalent elastic and electromagnetic properties and its deformation is established. The flexible chiral metamaterials are optimized with maximizing the wave absorption under the specific displacement constraint in the chiral design domain. Last, within the expected dynamic frequency range, the multi-functional optimization designs of the flexible chiral elastic/acoustic metamaterials with the dynamic band-gap characteristics are carried out by considering the chiral parameters and displacement constraints. This research is very valuable for the analysis and optimization design of the multi-functional lightweight metamaterials.

手征性超材料在结构、电磁及声学等方面具有超常性能，在航空航天等领域材料结构的减重、电磁隐身和减振降噪设计中具有重要的应用前景。为了满足在复杂环境下对特殊性能的需求，本项目从电磁波及弹性/声波两个方面，从手征柔性材料结构优化设计角度，研究其带隙的动态调控及多功能优化设计方法。主要研究包括：首先基于理论推导和数值仿真分析计算技术，研究建立合理有效的结构/电磁及弹性/声学等效性能分析计算模型；然后考虑手征性胞元结构的几何非线性变形，建立等效弹性和电磁性能与位移之间的动态关系式，在手征性设计域内以特定位移条件为约束，最优吸波性能为目标，开展柔性手征电磁超材料结构的优化设计；最后在预期动态频率范围，考虑手性特征参数及位移约束条件，研究具有动态带隙特性的柔性手征性弹性/声学超材料结构多功能优化设计方法。研究成果在轻质多孔超材料结构的多功能耦合性能分析及优化设计方面具有重要的理论意义和应用价值。

本项目从航空航天工程领域中对材料结构的减重、电磁隐身及减振降噪的性能需求出发，以新型超材料结构的电磁波和弹性/声波带隙可控性为应用背景，开展柔性手征性超材料结构的弹性性能和电磁性能分析和设计方面的基础理论和设计方法研究，主要研究内容和成果包括：.（1）柔性手征性超材料结构的弹性性能分析及优化设计。首先，考虑几何非线性，在大变形条件下推导出手征性蜂窝结构等效弹性性能计算公式，非线性计算公式结果与仿真结果非常吻合；然后，在此基础上对柔性手征性蜂窝进行尺寸和形状优化设计，使其在满足在大变形条件下保持特定的弹性性能，并获得实验验证；最后从概念设计到精细设计，进一步设计了具有特定弹性性能的新型柔性反手性力学超材料结构，并对优化结果进行了实验验证。.（2）超材料结构的电磁性能可调性设计。首先采用电磁性能温度调控的方法，设计了基于导电橡胶材料的人工电磁超材料，实验验证了温度变化对超材料Fano谐振的影响结果；然后采用结构设计中的拓扑优化技术，设计了具有非对称传输性能的手征性超材料，实现了电磁性能的可调性设计。.（3）具有可调频率响应和不确定载荷的结构优化设计。开展了固有频率最大化为目标、最大变形为约束，以及频率响应为约束、结构重量最轻为目标的不同结构的优化设计方法研究，并通过算例进行了验证；并考虑载荷位置的可调性，研究了其对结构优化设计结果的影响。.（4）弹性/声学超材料带隙调控的优化设计。首先采用模态叠加法和遗传算法设计反射型薄膜声学超材料。根据不同目标进行多参数结构设计，设计了一种十字型薄膜声学超材料，实现了低频宽带吸声；然后采用变密度法和特征驱动法，在特定体分比约束、单胞内部和单胞之间的连接性约束下，以多孔弹性超材料单胞带隙最大化为目标函数，实现了弹性超材料带隙特性可调性设计。.在本项目资助下在国内外权威期刊发表学术论文11篇，其中SCI检索8篇；获授权国家发明专利2项，公开发明专利4项。