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一种最好的超材料设计方法(力学超材料、弹性波超材料、声学超材料、地震超材料),为了控制弹性波、声波和振动

已有 2453 次阅读 2022-6-11 20:27 |系统分类:观点评述

        我的超材料设计方法是世界上最好的,为实现控制弹性波、声波和振动的梦想开辟了广阔的道路,在力学超材料、弹性波超材料、声学超材料、地震超材料、航空航天、潜艇、机械工程、土木工程等领域具有无比巨大的应用价值

        对于弹性波隐身斗篷、声波隐身斗篷、减震降噪、隔振隔音、能量收集、超材料透镜、超材料声波成像、超材料传感器等,现在一般只能万般无奈的通过各向同性或质量密度各向异性的超材料来实现,至于少数学者提出的各向异性超材料,适用范围小、不具有通用性、精度差。要设计出波动或振动控制所需要的“指定弹性特性的超材料”,比如,要求材料的某个主方向的弹性模量为一个指定值、某2个泊松比为指定值,你能实现吗?难度大、费尽心力。你的设计方法不是建立在一种固体力学基本模型(精确遵循广义胡克定律)的基础之上,就没有精确实现的可能性


       广义胡克定律是固体力学(弹性力学、塑性力学、断裂力学等)的基石,在固体力学中,目前研究最多的材料就是各向同性材料,其次是横观各向同性、正交各向异性材料。经典的固体力学基本模型就是一个长方体形状的实体单元,只是在数学上赋予它、命令它遵循(各向同性、横观各向同性或正交各向异性的)广义胡克定律,从微观上看,任何固体的弹性性质都来源于它的微观结构,故实体单元模型是虚的,现实中就没有这种“没有微观结构的均匀材料”;此外,不可能有哪种微观结构是各向同性(指任意方向)的,“正交各向同性”才是可以真实存在的。以前,如果想随心所欲的设计具有4个独立的弹性常数的固体材料,完全是白日做梦;但实体单元模型的作用是巨大的,没有它,则只有胡克定律,绝没有后来的广义胡克定律,这样就不会存在固体力学及其工程应用。题外话,任何领域的物理学没有一个几何模型,必然不是成熟的物理学。

        正交各向异性材料有12个弹性常数,包括6个泊松比、3个弹性模量和3个剪切模量,但只有9个独立的弹性常数。一般,波动或振动是有方向性的,想很好的控制它,各向同性材料只能勉为其难,只能凑合着用,然后质量密度各向异性超材料登场了,设计难度大,而且效果不可能很好。至于,个别学者提出的弹性常数各向异性的超材料,其弹性常数的变化范围小、设计不具有通用性,而且,这样的各向异性超材料的理论基础,是通过广义胡克定律推导出来的吗?当然不是,设计精度也当然差。能有4个独立的弹性常数吗?不能。设计方法简单,一般研究人员都能看懂并设计出来吗?云山雾罩,含混不清。

        我建立的正交各向异性的固体力学基本模型——由多个杆件组成的桁架单元模型,包括对应空间问题的空间桁架单元模型、对应平面问题的平面桁架单元模型,完全是仅仅建立在广义胡克定律和叠加原理的基础之上,或者说我的桁架单元模型,其受力变形关系是100%精确遵循正交各向异性的广义胡克定律,就是广义胡克定律的化身,已把广义胡克定律完全融入肉体与灵魂,至于验证,你单轴拉伸(或压缩)或纯剪切一下,就知道结果了。对于空间桁架单元模型,其包括两种模型,分别具有6个、9个独立的弹性常数。我喜欢具有6个独立弹性常数的空间桁架模型,因为更简单。简单的美的东西,必有巨大的独特价值。   


       去年寒假初始,经家人提醒偶然看一个关于超材料的视频,立即联想到我的模型。然后查看了关于超材料的大量视频、网文和论文,其中,通过超材料来控制机械波(弹性波、声波、地震波等)的传播和结构的振动,是现在国内外的一个研究热点。该研究方向是否靠谱了?机械波的传播需要介质,而改变介质材料的属性(弹性性质和质量密度)必然改变机械波的传播,这是简单的动力学知识,这是超材料控制波动和振动的理论基础;还在网上搜到北京理工大学的胡更开在某大学的学术报告新闻,他说:弹性波与介质相互作用可通过弹性模量进行刻画,通过微结构设计调节材料模量,可以实现对弹性波调控,进而实现相应的波动功能。为什么没有提泊松比、剪切模量了,或更进一步,6个或9个独立的弹性常数了?没有提及,只是因为那种材料以前设计不出来。若不用我的方法,你试一下,有任何其它方法能够设计出具有如下弹性性质的材料吗?即:v12= -0.5,v23=0.85,v13=0.75,E1=480MPa ,E2=400 MPa,E3=500 MPa,必然难于上青天,即使只指定其中的4个弹性常数,也会非常难。


       在正交各向异性的桁架单元模型的基础之上,我提出了一种超材料的单元。若看论文,见:Orthotropic metamaterials with freely tailorable elastic constants( 可自由定制弹性常数的正交各向异性超材料),https://arxiv.org/abs/2205.14176 。我的桁架单元模型能够直接设计超材料吗?一般人根本想不到,而且直接使用,你会发现,一般情况下,单元的杆件太粗了,无法在一个单元的空间范围进行组装,因此对该桁架单元模型进行了一个简单的变化,即先计算出杆件的轴向刚度,再自由的选取各杆件材料,确定杆件的截面面积,这样就解决了问题,并且可就地取材,设计的自由度更大,当然还做了其它许多变化,以增加设计自由度和生产制造的便利性。我的超材料设计方法很简单,按照该超材料的设计步骤,初中生都能设计出来,没有一丝难度,想要哪种弹性性质的材料,把所需要的弹性常数代入公式,就设计出来了。只有当你想要验证设计出来的超材料,是否具有指定的弹性常数时,才需要掌握任何一种有限元软件而已。当然,对于论文中的设计公式,手算的话还是麻烦,通过编制程序(就按照设计步骤,写数学公式一样),输入设计的参数,一下子就出现设计结果。

      当然,该超材料的6个独立的弹性常数,有无数种可能,有时虽然能设计出来,但无法制造出来,原因是计算得到的杆件截面面积是负值,即使有这样的问题,但还是可以设计出、制造出无穷无尽的超材料;或改变单元的尺寸,或某个弹性常数的数值稍微改变一下,或减少指定的弹性常数的数量,就设计出来了;因此,足以完成各种情况下波和振动的控制任务。  


       该超材料的单元不是虚的,是实实在在的,可以制造出来,其设计精度和杆件的连接方式相关,一般而言,如果是铰接则是完全精确,如果是刚接则可以是超高精度,或者说任何连接方式都可以是超高精度设计。单元设计的自由度非常大,单元的尺寸、等截面杆、变截面杆、杆件的截面形状、杆件的连接方式、各个杆件使用不同的材料、杆件替换为弹簧、6个(或9个)独立弹性常数,千变万化、随心所欲,为超材料的设计大开方便之门,为弹性波、声波、地震波和振动的控制,打下了基础、开辟了天高任鸟飞的通天大道




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