基于声子晶体特性的“地震超材料”减震性能及设计理论

Based on the theory of phonon crystal, seismic metamaterials are designed with bandgaps properties. In the bandgaps frequency range, the seismic wave does not continue to spread through the metamaterial within the scope of frequency range. The bandgaps characteristics of seismic metamaterials have broad application prospects in the isolation seismic wave. This project proposes a "Low frequency, broadband, small size, strong attenuation" seismic metamaterials, which have good bandgaps characteristics of locally resonance type phononic crystal unit cell. The seismic metamaterials can decrease the seismic wave significantly, when the seismic frequency rangs within the scope of the bandgaps. We convert the seismic wave into an attenuated one without touching the building that we want to protect. We study the influence rule between the geometrical characteristics, material parameters, the seismic wave transmission characteristics and the bandgaps characteristic combining the methods of theoretical analysis, numerical simulation and experimental research. The design theory and vibration model of three-dimensional local resonance type seismic metamaterials will be established. The three dimensional phononic crystal unit cell of seismic metamaterials will be designed with topology optimization. We will adopt the combination method of mobile asymptote method and genetic algorithm method, which can solve the topology optimization problem. Through the study, the system about calculation model and optimization design theory of seismic metamaterials will be improved, which have important theoretical significance and practical value for seismic isolation research field in China.

基于声子晶体理论设计出的“地震超材料”具有带隙特性，即存在某个频率范围，频率在该范围内的地震波不能通过超材料而继续传播。地震超材料的这种带隙特性使其在隔震减震方面具有广阔应用前景。本项目将设计一种“低频、宽带、小尺寸、强衰减”的地震超材料，使其具有良好带隙特性的局域共振型声子晶体单胞，可以大幅衰减振动频率在带隙范围内的地震波，减震隔震效果显著。通过理论分析、数值模拟及试验研究相结合的手段，研究地震超材料的几何特征与材料参数对地震波传输特性和能带结构的影响规律，建立一套合理适用的三维三组元局域共振型地震超材料设计理论及振动模型。本项目对三维超材料的声子晶体单胞进行拓扑优化设计，采用移动渐近线方法和遗传算法相结合的方法求解了其拓扑优化问题。通过本项目的研究，将会形成一套系统完善地震超材料计算模型及优化设计理论，为 “超材料”应用于衰减地震波提供重要的理论意义和实用价值。

地震造成的重大人员伤亡是由于建筑物倒塌。瑞利波是表面波之一，频率在0.1到20Hz之间，对人造结构极为有害，因为建筑物的共振基频恰好在该频率范围内。此外，如果使用常规方法，则这些低频表面波难以控制或隔离。一些重要建筑物和设施的破坏将带来毁灭性灾难和无法弥补的破坏，例如核电站和古建筑。本项目提出的周期性地震屏障可以巧妙地防止这些情况发生。主要研究内容：1.设计2-3种具有最大程度覆盖地震表面波范围（0.1-20Hz）的宽带隙周期性地震屏障模型；2.研究梯度/分段梯度对周期性地震屏障隔震性能的影响；3.考虑土壤分层的周期性地震屏障隔震试验研究。具有重要的科学意义：周期性地震屏障的设计与隔震性能研究是防灾新技术中衰减低频表面波中的重要发展方向。本课题针对周期性地震屏障带隙窄的问题，应用多级结构扩宽带隙，建立相关模型，使周期性地震屏障最大程度衰减地震表面波。其次进行考虑土壤分层的周期性地震屏障试验，推动周期性地震屏障的工程应用：1.设计出周期性地震屏障的带隙范围最大程度覆盖地震表面波范围，有利于保护精密实验室、医疗设施、电子元件、核电站和古建筑等敏感结构；2.本项目考虑土壤分层所设计的周期性地震屏障更接近实际地质条件，有利于周期性地震屏障的进一步工程应用；3..设计多种桩型周期性地震屏障，在建筑基坑开挖时布置，不仅可以充当挡土墙的作用，而且后期也可以用来减震，一桩多用。