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流固耦合声子晶体减振隔震及导波性能的数值分析与实验研究

高斌  
【摘要】: 声子晶体是由周期性分布的两种或两种以上材料组成的新型功能材料。当弹性波在声子晶体中传播时,某些频率范围内的波不能通过,称之为禁带(亦称为带隙),而某些频率范围内的波可以通过,称之为通带。声子晶体的禁带特性使其在结构抗震隔振等方面具有广阔的应用前景。本文运用数值模拟和实验方法研究了流固耦合二维声子晶体在完好周期、存在点缺陷和线缺陷等情况下的波动传输特性,给出了传输谱和声压分布图,探讨了声子晶体的减振隔震和导波性能,本文的研究工作对于结构抗震隔声设计及振动控制具有重要的意义。 1.运用ABAQUS有限元软件对完好周期二维流固耦合声子晶体波动传输特性进行了数值模拟,同时采用脉冲响应技术进行了相应的实验研究。对于正方点阵排列的钢/水声子晶体,数值模拟和实验中得到的完全带隙吻合得很好。大尺寸的混凝土/水二维声子晶体第一带隙范围大致在10Hz左右,这对实际工程来说具有十分重要的意义。我们可以利用完好周期情况下的声子晶体来控制弹性波的传播,使得某些频率范围内的波不能够通过结构,从而达到抗震隔振的目的。 2.运用ABAQUS有限元软件对存在点缺陷的二维流固耦合声子晶体波动传输特性进行了数值模拟,同时采用脉冲响应技术进行了相应的实验研究。分别研究了单点缺陷和多点缺陷的情况,实验结果与数值模拟结果基本吻合。从声压分布图可以看到:点缺陷的存在会导致禁带内某些频率下的振动局限在缺陷附近。 3.运用ABAQUS有限元软件对线缺陷的二维流固耦合声子晶体波动传输特性进行了数值模拟,同时采用脉冲响应技术进行了相应的实验研究。分别研究了直线型、折线型以及分支型线缺陷的情况,数值模拟结果与实验结果基本吻合。当存在线缺陷时,弹性波沿线缺陷传播,原来完好周期时的禁带变成了通带。线缺陷的路径和散射体的分布对弹性波的传播有着非常大的影响。直线型线缺陷有着良好的导波性能,分支型线缺陷可以实现弹性波的分离。研究结果表明:设计不同形式的线缺陷可以操控弹性波的传播,达到振动控制的目的。


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