基于梯度声子晶体的深基础工程隔冲击机理研究与优化设计

Regarding to the protection of deep foundation engineering under impact waves, the aim of the proposed project is to design bi-gradient phononic crystals (cloaking) for re-directing the impact waves far from the deep foundation engineering, reducing the energy transformation from impact waves to deep foundation engineering, realizing the impact-wave shading of deep foundation engineering. The main content includes: (1) according to the direction range of the group velocity in the considered frequency range and the design requirements of the propagation path, fixing the gradient form, designing and building the three-dimensional finite element models for bi-gradient phononic crystals (cloaking), investigating the effect of impact waves on the transient/harmonic responses of deep foundation engineering, exploring the mechanism of impact-wave shading; (2) discussing effects of material or structural parameters (including the horizontal/vertical gradient distribution) on the transient/harmonic responses of deep foundation engineering under impact waves, enlarging the working frequency range of cloaking, providing reference principle for the design of cloaking; (3) manufacturing directional cloaking model, carrying out drop hammer or dynamic loading tests, realizing the impact-wave shading of deep foundation engineering. The current research is expected to provide a theoretical and experimental basis to design cloaking for impact-wave shading.

针对深基础工程在冲击波作用下的防护问题，本项目将设计双向梯度声子晶体(斗篷)，使冲击波的传播路径逐渐偏离深基础工程，减少冲击波能量向深基础工程的传递，起到遮挡冲击波的作用。主要研究内容包括：(1)根据设计频率范围内群速度方向的范围及传播路径的设计要求，确定梯度分布方式并建立双向梯度声子晶体(斗篷)的三维有限元模型，考察冲击载荷作用下深基础工程的时域/频域响应，揭示斗篷的隔冲击机理；(2)讨论材料、结构几何(包括水平/竖直梯度分布)等参数对深基础工程时域/频域特性的影响，拓宽隔冲击斗篷的工作频率范围，给出设计隔冲击斗篷的参考准则；(3)制作定向隔冲击斗篷模型，进行落锤或工程动载荷实验测试，实现斗篷遮蔽深基础工程的功能。本项目的研究将为隔冲击斗篷的设计奠定相关的理论与实验基础。

作为一种新型的弹性波功能材料，超材料为工程中隔振/隔冲击技术的发展打开了新的思路。本项目利用理论分析、数值仿真和实验测试相结合的方法，开展了超材料隔振/隔冲击方面的研究，主要内容和成果包括：① 基于Biot理论，计算了液体饱和多孔周期结构的复能带结构，讨论了介质异性和材料特性以及界面开孔特性对波动特性的影响，揭示了排斥带隙、波数带隙的产生机理。② 在考虑地应力平衡的情况下，分析了锚杆的长度、疏密程度、长短间隔布置和拱脚重点支护对冲击荷载作用下深部洞室安全性的影响，得到了最优化的锚杆支护方式。 ③ 计算了表面周期结构的复能带结构，分析了表面波带隙的产生机理，并对表面周期结构的隔冲击特性进行了实验验证。 ④基于共振体的耦合效应，设计了周期/非周期耦合共振波导及器件，发展了理论模型预测耦合共振体的集团共振特性，揭示了流固耦合效应对液固混合声子晶体波动特性的影响。项目研究成果为超材料在隔振/隔冲击方面的实际应用具有积极重要的意义。