姜 恒 黃國良

* (中國科學(xué)院力學(xué)研究所微重力實驗室,北京 100190)

? (中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

** (密蘇里大學(xué)機械與航空航天工程系,美國哥倫比亞 65211)

超材料是一類由人工微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)筑的復(fù)合材料,具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì),經(jīng)過多年發(fā)展,超材料已經(jīng)從電磁領(lǐng)域逐漸拓展到聲學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、材料學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域,國內(nèi)外學(xué)者在概念與內(nèi)涵、理論與設(shè)計、制備與應(yīng)用等各方面都開展了深入探究與應(yīng)用研究,產(chǎn)生了深遠影響.相較于傳統(tǒng)均質(zhì)材料的半經(jīng)驗式研究,超材料從微結(jié)構(gòu)基元精確設(shè)計出發(fā),是未來先進功能材料的創(chuàng)新研究新范式.彈性波與力學(xué)超材料是整個超材料家族的重要組成部分,近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,已經(jīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)學(xué)模型建立以及應(yīng)用等方面取得了豐碩的研究成果.

為了系統(tǒng)報道具有奇異波動與力學(xué)特性超材料的設(shè)計、制造、測試與應(yīng)用研究,《力學(xué)學(xué)報》組織了本次的“彈性波與力學(xué)超材料設(shè)計與應(yīng)用”專題,包含了1 篇綜述型論文和5 篇研究型論文,介紹了部分在彈性波及力學(xué)超材料研究中的前沿性、創(chuàng)新性研究成果.

湖南大學(xué)王凱、周加喜等撰寫了《低頻彈性波超材料若干進展》.他們首先簡要介紹了超材料開啟彈性波帶隙的基本原理,然后從低頻彈性波超材料基本結(jié)構(gòu)與低頻帶隙實現(xiàn)方法、低頻帶隙優(yōu)化與調(diào)控策略、低頻帶隙潛在應(yīng)用等三個方面詳細總結(jié)低頻彈性波超材料的研究工作.進一步,通過總結(jié)低頻彈性波超材料的研究進展,他們指出了目前低頻超材料在工程應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn).論文提出基于拓撲優(yōu)化方法,創(chuàng)新設(shè)計具有承載能力的結(jié)構(gòu)化小剛度局域振子,是低頻超材料進一步發(fā)展的關(guān)鍵.如何對含有非線性的超材料進行數(shù)學(xué)建模,并求解超材料的高維非線性方程,是設(shè)計超材料并評估其性能的核心問題.拓寬低頻帶隙寬度,強化帶隙內(nèi)彈性波衰減效果以及對低頻帶隙位置進行主動調(diào)控是拓展超材料在振動抑制方面應(yīng)用的另一關(guān)鍵性問題.

彈性波在色散關(guān)系經(jīng)過設(shè)計的梯度結(jié)構(gòu)中傳播時會產(chǎn)生彈性波彩虹捕獲效應(yīng),即不同頻率的彈性波會在結(jié)構(gòu)的不同位置停止向前傳播并發(fā)生能量聚集.西北工業(yè)大學(xué)王芳隆、沈一舟、徐艷龍等撰寫了《彎曲波彩虹捕獲效應(yīng)及其在能量俘獲中的應(yīng)用》,通過所設(shè)計的梯度結(jié)構(gòu)梁,分析了彎曲波彩虹捕獲效應(yīng)的產(chǎn)生機理,并通過有限元仿真和實驗驗證了彎曲波彩虹捕獲效應(yīng)的空間分頻現(xiàn)象和波場能量增強現(xiàn)象,最后通過有限元多物理場耦合仿真和實驗,系統(tǒng)地研究了彎曲波彩虹捕獲效應(yīng)在壓電能量俘獲中的應(yīng)用.

力學(xué)超材料中的彎曲梁雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)由于其主動調(diào)控性強且調(diào)控精度高等優(yōu)點近年來受到廣泛關(guān)注.中國科學(xué)院力學(xué)研究所肖伯雅等人撰寫了《可重構(gòu)力學(xué)超材料的設(shè)計與波動特性的研究》.他們利用中心受壓彎曲梁的不穩(wěn)定性設(shè)計了六角型雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),并首先研究了六角型可重構(gòu)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對其整體力學(xué)性能的影響;之后在具備雙穩(wěn)態(tài)特性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究了構(gòu)型變化對結(jié)構(gòu)色散關(guān)系的影響并進行了相應(yīng)的頻率響應(yīng)計算驗證.結(jié)果表明,可以通過六角型可重構(gòu)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的設(shè)計實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)整體性能的主動調(diào)控,為可逆向設(shè)計的彈性波超材料結(jié)構(gòu)研究分析提供了一條可靠路徑.

點陣結(jié)構(gòu)的周期和多孔特征使其相較于普通的實體結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、耐沖擊、減振降噪和高比強度等優(yōu)勢,在航空航天和船艦等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景.西南科技大學(xué)任怡與武漢第二船舶設(shè)計研究所張昊等撰寫了《金字塔點陣圓筒結(jié)構(gòu)軸向彈性波傳遞特性研究》.他們以金字塔點陣圓筒結(jié)構(gòu)為對象,根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行參數(shù)化建模,并利用有限元仿真軟件計算了點陣圓筒結(jié)構(gòu)軸向振動特性,系統(tǒng)研究了單胞的寬、高以及桿件直徑等關(guān)鍵參數(shù)對減振效果的影響,根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計了一種具有低頻寬帶減振性能的金字塔點陣圓筒結(jié)構(gòu),并通過振動測試實驗對結(jié)構(gòu)的減振性能進行了驗證.

折紙結(jié)構(gòu)和折紙超材料具有無窮的設(shè)計空間,突出的變形狀、變大小、變拓撲特性,以及由折疊誘發(fā)的超常規(guī)力學(xué)特性,在最近幾年迅速成為數(shù)學(xué)、物理和工程學(xué)科的研究前沿和熱點.清華大學(xué)王海瑞、申薛靖等撰寫了《折紙超材料折展穩(wěn)態(tài)特性的研究》.他們針對新型折紙超材料穩(wěn)態(tài)機理不清晰的問題,采用扭轉(zhuǎn)彈簧等效法和能量原理,對折紙超材料在復(fù)雜內(nèi)部構(gòu)型及折展運動協(xié)同作用下的力學(xué)行為進行了理論研究,建立了超材料構(gòu)型在折展變形過程中的力學(xué)模型,分析了構(gòu)型幾何參數(shù)對折展外載荷的影響規(guī)律,為新型折紙超材料穩(wěn)態(tài)性能的調(diào)控和構(gòu)型設(shè)計提供了可借鑒的思路.

拉脹超材料因其負泊松比特性而具有優(yōu)異的多向能量吸收和體積變化可調(diào)性,使其在航天航空和軍工設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.西南石油大學(xué)朱一林、江松輝、于超撰寫了《增強六手臂缺失支柱手性拉脹超材料力學(xué)性能理論研究》.在前期研究工作中,他們提出了一種在大變形范圍內(nèi)具有可調(diào)恒定負泊松比的新型增強六手臂缺失支柱手性拉脹超材料.為了揭示微觀結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能關(guān)系,并進一步指導(dǎo)超材料目標參數(shù)設(shè)計,他們在小變形框架下基于能量法建立了表征該拉脹材料等效泊松比和彈性模量的理論模型,并為便于理論模型的應(yīng)用,開發(fā)了MATLAB 圖形用戶界面,輸入幾何參數(shù)就可以直接獲取相應(yīng)結(jié)構(gòu)的等效力學(xué)性能參數(shù),系統(tǒng)研究了關(guān)鍵幾何參數(shù)對增強六手臂缺失支柱手性拉脹超材料力學(xué)性能的影響規(guī)律.

由于專題篇幅限制,本次專題僅粗略涵蓋了彈性波與力學(xué)超材料的理論研究、設(shè)計方法與應(yīng)用技術(shù)等方面的內(nèi)容,期望以本專題為契機,進一步促進彈性波與力學(xué)超材料的理論創(chuàng)新與關(guān)鍵技術(shù)突破.最后,感謝《力學(xué)學(xué)報》編輯部對本專題的支持！也特別感謝所有論文作者以及審稿專家對本專題出版的重要貢獻和大力支持！