抑制振动和地震波超材料的力学性能分析和优化设计

The project aims to develop, using optimization method, a category of elastic metamaterials which can be used to attenuate mechanical vibration and seismic wave. The metamaterial is a type of unit-cell based artificial multifunctional composite designed to have unusual mechanical, electromagnetic and/or acoustical properties, such as negative refraction, negative stiffness, negative shear modulus, and negative mass density. These properties are not seen in natural materials. Unlike natural materials, the elastic metamaterial can easily propagate elastic motion and wave in one direction and stop or attenuate them other directional. The property makes it have potential applications in optic and acoustic cloak as well as attenuation of vibration and seismic wave propagation. It is currently a hot topic in the world. It should be mentioned that the research of this area in both China and overseas is still in its infancy and many challenges remain before attractive possibilities can become realities. With this in mind, the project focuses on developing finite element and topology optimization algorithms for designing elastic wave and seismic attenuation metamaterials. The main tasks include: (1) establishing dynamic mathematical model of elastic metamaterials for seismic and vibration attenuation. The model can be used to develop micromechanics of metamaterials for calculating effective properties such as negative Young’s modulus. (2) developing topology algorithms special for designing and analysing elastic metamaterials. (3) developing a modal which can be used for identifying relationships between microstructures of metamaterials and bandgap as well as attenuation performance. (4) experimental characterization and verification.In conclusion, the success of this project will significantly promote and push the elastic metamateirals and their engineering application to go forward.

本项目旨在开发可有效抑制振动和地震波的弹性超材料。该材料是通过人工设计代表基元实现超常性质的一种新型多功能复合材料， 拥有天然材料很难具备的机械、电磁、声学等特性，如负刚度、负剪切模量、负质量密度、声子带隙等。不同于传统材料，这种超材料可以很容易地在一个方向上传递运动与波而在其他方向上阻止运动与波的转移或传递。这些特性为其在隐身和抑制振动与地震波方面的应用提供了广阔的前景，所以该材料是当前材料领域的国际研究热点。本项目重点在于开发用于分析和设计抗震弹性超材料的动力学模型及其数值算法，找出满足抗震性能弹性超材料系统的材料最优分布。内容主要包括：（1）建立超材料动力学模型；（2）开发适用于抑制振动和地震波超材料的拓扑优化算法；（3）超材料带隙、衰减与结构关系的特性分析；（4）材料性能测试及验证。本项目的实施可推进这个新兴的革命性的超材料设计和工程应用，有利于国家高端材料业设计和制造水平的提高。

本项目研究了在添材制造环境下地震超材料的力学性能表征和优化设计问题。首先，根据国内外的现有研究状况，课题组结合用实验和理论建模，研究了材料抑制振动性能与微结构构型之间的关系；用机器学习算法确定材料振动性能与微结构构型参数之间的量化关系。项目组成员利用前期在用COMSOL分析超材料性能方面的研究积累，建立了以无反射的方形等效模型，其结果的精度能满足工程要求。本课题组成员还以超材料的波传播调控能力为关键指标，以几何参数变化为控制因素，优化超材料的整体结构。对于优化算法，基于Nelder-Mead方法及MatLab语言编程。结合给定的参数范围，对几何兼容性和频响特性评估。优化后的几何结构显示出优越的性能和更大的位于（0.5~20Hz）的带隙。项目组进一步利用机器学习算法，建立的弹性动力学有限元模型产生的大量结构输入和性能输出数据作支撑,通过训练过程提取出蕴藏在数据内部的结构-性能映射关系。进而构建了基于多层前馈人工神经网络架构的代理模型，使用机器学习技术并通过遗传算法程序对网络进行优化，以提高其预测带隙的位置和宽度的准确性。以经过训练和优化的神经网络模型为核心，建立了Nelder-Mead (NM)算法。在超材料制备和实验测试方面，利用3D打印方法制备设计优化后的超材料，并在实验室环境下测量分析超材料的频带特性和低频机械波的抑制性能。为验证所设计超材料的性能，进行了振动测量实验。搭建了相应的激振系统和高精度激光位移测量系统，在实验室环境下，测量得到了超材料的频响函数。实验结果与理论分析结果吻合较好，验证了超材料的振动抑制性能。作为例子和应用，课题组对基于大偏转角压扭耦合结构的声学超材料进行了设计与优化研究。建立了压扭结构声子晶体能带结构的理论分析方法，并通过相应的几何参数优化来提高结构性能。 本项目还研究了拥有嵌入式局部谐振器的三维弹性超材料结构。提出了一种拥有嵌入式局部谐振器的三维弹性超材料。为得到较低的频带低端启动频率，我们借助了双原子质量弹簧模型来分析。通过定量局部振动分析方法，我们使得低频频带从205Hz加宽到了625Hz。带中值比带宽从69% 增加到了117%。此研究提出了一种弹性超材料结构可被应用于夹层材料的核心，可对特定频率的弹性波进行衰减。此外，在所提出的定量局部振动测量方法的指导下，改变了几何参数使得超材料的低频频带得到了有效地增大。