新颖结构与结构化材料优化设计的理论与方法研究
发布时间：2021-01-31 01:12
具有周期/准周期单胞分布特性的点阵/多孔结构具有轻质量、高强度、大比刚度等力学特性,并往往具备特异的光学、热学、声学特性,在超轻质材料、声学/光学非互易传输装置,声学/光学隐身罩,声/热/光能量收集设备等新兴应用领域具有广泛的应用前景。目前学界统称这些具有微观结构并具有某种或某几种超常性质的材料/结构为超材料/结构。对于超材料/结构中的材料分布,工程应用中普遍还是采用经验式的设计,设计流程长且没有理论指导,因此有必要研究更先进的超材料/结构设计方法。此外,近年来随着增材制造等新兴制造技术的飞速发展,对于具有复杂几何细节结构的制造能力大大增强,使得上述超材料/结构的实际生产制造成为可能,同时也提出了新的制造约束。而增材制造相对昂贵的材料费用以及业界日益苛刻的轻量化需求,使得考虑可制造性的点阵/多孔结构优化设计成为目前的研究热点。为了最大程度的利用给定材料并满足制造性约束,对于结构不同部位,需给出具有真实尺寸的不同形式的微结构设计,这与传统的基于严格尺度分离假设及全局周期性假设的渐进均匀化方法相矛盾。新型制造技术的发展带来了新型的多尺度结构,为了满足新型结构/材料的设计需求,必须发展新的设...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：171 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１面向３Ｄ打印的点阵填充结构??Ｆｉ．?１．１?Ｌａｔｔｉｃｅ?ｆｉｌｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｆｏｒ?３Ｄｒｉｎｔｉｎ
构材料不同的基体材料；三维声子晶体一般为球形或其它形状散射体周期性地埋入某种??基体材料所形成的夹杂点阵结构，其结构形式可为简单立方、面心立方或者体心立方等。??图１．２给出了三种维度下声子晶体结构的示意图。??Ｂｌｏｃｈ定理表明声波＼弹性波在声子晶体中会以Ｂｌｏｃｈ波的形式传播，其传播模式可??用Ｂｌｏｃｈ波矢Ｋ表征。通过一定的方法可以得到声子晶体在不同频率下的波矢量，从而??可以对声子晶体中的弹性波传输特性进行分析。通常以ｈ?７轴分别表征Ｂｌｏｃｈ波矢Ｋ??和频率〇ｊ，两者之间的关系曲线称为声子晶体的能带结构。纟带结构可以揭不不冋频率??声波／弹性波在声子晶体中的传播规律。如果能带图中某些频率范围内的声波／弹性波没??有对应的Ｂｌｏｃｈ波矢，就说明这些频率内的声波／弹性波在此声子晶体内无法传播，这样??的频率范围称为声子晶体的禁带。??搴ｆ雜??图１．２声子晶体示意图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｐｈｏｎｏｎｉｃ?ｃｒｙｓｔａｌ??减振降噪是工程界长期关注和致力于解决的关键科学问题。机械振动以弹性波的形??式在结构中传播不仅可能会影响精密设备及仪器的精度并造成机械设备的疲劳破坏，其??向空气中辐射的声波还会产生机械噪声，严重时会影响人们的身体健康。相关数据显示，??工业中大部分固体机械零部件的破坏都是振动引起的材料疲劳所产生的，而航空航天行??业中大部分的卫星、火箭故障也往往与结构振动直接相关。通过声子晶体的能带理论
Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ａｃｏｕｓｔｉｃ?ｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ??虽然声子晶体的出现为构建声学二极管创造了可能，但是，由弹性力学中的互易定??理（图１．３）我们知道，线性系统中声波／弹性波的传输是互易的，即声波／弹性波在线性??系统里是对称传输的。直观地说，正如我们日常生活中感受到的一样，正常环境下，如??果我们能听到某人讲话，那么他也能听到我们说话。不巧的是，声子晶体虽然具有带隙??特性，但是一般情况下仍是线性系统，必须服从声波／弹性波传输的互易定理，这对我们??基于声子晶体设计声学单向传输装置提出了挑战。??基于此，本文的第一个研究问题是，如何利用声子晶体等声学新颖结构／材料打破声??学互易定理，设计出一种新型的声波／弹性波非互易传输装置。??－４?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]拓扑优化中采用增材制造填充构件的结构屈曲荷载提升设计[J]. Anders Clausen,Niels Aage,Ole Sigmund. Engineering. 2016(02)
[2]Design for structural flexibility using connected morphable components based topology optimization[J]. DENG Jia Dong,CHEN Wei. Science China（Technological Sciences）. 2016(06)
[3]增材制造（3D打印）技术发展[J]. 卢秉恒,李涤尘. 机械制造与自动化. 2013(04)
[4]Novel implementation of homogenization method to predict effective properties of periodic materials[J]. Geng-Dong Cheng,Yuan-Wu Cai,Liang Xu. Acta Mechanica Sinica. 2013(04)
[5]周期性吸声多孔材料微结构优化设计[J]. 陈文炯,刘书田. 计算力学学报. 2013(01)
[6]结构拓扑优化设计综述[J]. 郭中泽,张卫红,陈裕泽. 机械设计. 2007(08)
[7]结构拓扑优化ICM方法的改善[J]. 隋允康,彭细荣. 力学学报. 2005(02)
[8]结构拓扑优化研究方法综述[J]. 周克民,李俊峰,李霞. 力学进展. 2005(01)
本文编号：3009935
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：171 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１面向３Ｄ打印的点阵填充结构??Ｆｉ．?１．１?Ｌａｔｔｉｃｅ?ｆｉｌｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｆｏｒ?３Ｄｒｉｎｔｉｎ
构材料不同的基体材料；三维声子晶体一般为球形或其它形状散射体周期性地埋入某种??基体材料所形成的夹杂点阵结构，其结构形式可为简单立方、面心立方或者体心立方等。??图１．２给出了三种维度下声子晶体结构的示意图。??Ｂｌｏｃｈ定理表明声波＼弹性波在声子晶体中会以Ｂｌｏｃｈ波的形式传播，其传播模式可??用Ｂｌｏｃｈ波矢Ｋ表征。通过一定的方法可以得到声子晶体在不同频率下的波矢量，从而??可以对声子晶体中的弹性波传输特性进行分析。通常以ｈ?７轴分别表征Ｂｌｏｃｈ波矢Ｋ??和频率〇ｊ，两者之间的关系曲线称为声子晶体的能带结构。纟带结构可以揭不不冋频率??声波／弹性波在声子晶体中的传播规律。如果能带图中某些频率范围内的声波／弹性波没??有对应的Ｂｌｏｃｈ波矢，就说明这些频率内的声波／弹性波在此声子晶体内无法传播，这样??的频率范围称为声子晶体的禁带。??搴ｆ雜??图１．２声子晶体示意图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｐｈｏｎｏｎｉｃ?ｃｒｙｓｔａｌ??减振降噪是工程界长期关注和致力于解决的关键科学问题。机械振动以弹性波的形??式在结构中传播不仅可能会影响精密设备及仪器的精度并造成机械设备的疲劳破坏，其??向空气中辐射的声波还会产生机械噪声，严重时会影响人们的身体健康。相关数据显示，??工业中大部分固体机械零部件的破坏都是振动引起的材料疲劳所产生的，而航空航天行??业中大部分的卫星、火箭故障也往往与结构振动直接相关。通过声子晶体的能带理论
Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ａｃｏｕｓｔｉｃ?ｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ??虽然声子晶体的出现为构建声学二极管创造了可能，但是，由弹性力学中的互易定??理（图１．３）我们知道，线性系统中声波／弹性波的传输是互易的，即声波／弹性波在线性??系统里是对称传输的。直观地说，正如我们日常生活中感受到的一样，正常环境下，如??果我们能听到某人讲话，那么他也能听到我们说话。不巧的是，声子晶体虽然具有带隙??特性，但是一般情况下仍是线性系统，必须服从声波／弹性波传输的互易定理，这对我们??基于声子晶体设计声学单向传输装置提出了挑战。??基于此，本文的第一个研究问题是，如何利用声子晶体等声学新颖结构／材料打破声??学互易定理，设计出一种新型的声波／弹性波非互易传输装置。??－４?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]拓扑优化中采用增材制造填充构件的结构屈曲荷载提升设计[J]. Anders Clausen,Niels Aage,Ole Sigmund. Engineering. 2016(02)
[2]Design for structural flexibility using connected morphable components based topology optimization[J]. DENG Jia Dong,CHEN Wei. Science China（Technological Sciences）. 2016(06)
[3]增材制造（3D打印）技术发展[J]. 卢秉恒,李涤尘. 机械制造与自动化. 2013(04)
[4]Novel implementation of homogenization method to predict effective properties of periodic materials[J]. Geng-Dong Cheng,Yuan-Wu Cai,Liang Xu. Acta Mechanica Sinica. 2013(04)
[5]周期性吸声多孔材料微结构优化设计[J]. 陈文炯,刘书田. 计算力学学报. 2013(01)
[6]结构拓扑优化设计综述[J]. 郭中泽,张卫红,陈裕泽. 机械设计. 2007(08)
[7]结构拓扑优化ICM方法的改善[J]. 隋允康,彭细荣. 力学学报. 2005(02)
[8]结构拓扑优化研究方法综述[J]. 周克民,李俊峰,李霞. 力学进展. 2005(01)
本文编号：3009935
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