【航空学院优博微览】2023年陕西省优秀博士学位论文获得者——曹礼云

发布日期:2024年01月26日      点击:    文字:曹礼云、杨智春  |   审核:屈峰

题目:弹性波超构表面设计及其对弯曲波的调控

Elastic metasurface design and its manipulation of flexural wave

指导教师:杨智春

学 科:固体力学

读博感言:知难而进,孜孜不倦,锲而不舍


论文选题背景与研究意义

弹性波是工程结构中典型存在的运动形式,以大型航天/航空器、水下航行器、高速列车、精密机床等为代表的重大装备的机械振动,实质上是其结构件内部弹性波的叠加效应。对弹性波的传播机理研究自20世纪70年代以来一直是力学领域重要的研究课题。随着研究深入和工程应用的需要,目前关注的重点更多是对弹性波调控的研究。例如近年来出现的基于弹性波超材料的波动调控,推进了低频减振、集能和检测等工程技术的发展。本论文选题旨在深入地系统地研究弯曲波的调控问题,能够从波动力学本质上理解复杂的结构振动形式,突破工程中对结构振动控制与利用的技术难题的思维惯性,从新的角度提供解决方向。

论文主要研究内容

本博士论文针对大多数超构表面结构设计存在的低透射率、弱刚度、厚度尺寸大和功能单一等不足,系统地研究一类具有弯曲波调控功能的超构表面的波动力学行为及普适性设计方法,并拓展了其应用功能。建立了考虑弯曲振动和纵向振动耦合的柱状谐振体单胞的封闭解析模型。采用解析和数值方法,研究了单胞耦合弹性波超构表面对基板中弯曲波的操控。设计了一种由相同柱状谐振体无序阵列组成的无序弹性波超构表面。搭建了实验测试平台,验证了所设计的超构表面能够有效地调控弯曲波,且在343~1000Hz(大于1.5倍频程)的频率范围内,对弯曲振动具有高效的耗散性能。

轻质弹性波超构表面对弯曲波的高效调控

论文主要创新点

1.揭示了多级的串联柱状谐振体累积弯曲波相位跳变的物理机制。

2.阐明了相邻单胞中谐振体轴力和基板剪力之间耦合强度差异与波场耦合干涉的关系。

3.发现了单谐振体的低反射率诱导其阵列产生无序效应的物理机制。

4.提出了一种无需利用模式转换或内部损耗等传统方法的新型超构表面结构,实现了弯曲波能量的非对称传输。

5.提出了一种新的含损耗弹性波超构表面概念,实现了弯曲波的低频宽带强吸收,阐明了衍射波的多重反射效应及其增强吸收的机理。

博士期间(2016.02-2020.10)相关代表性成果

1. Liyun Cao, Yifan Zhu, Yanlong Xu, Shi-Wang Fan, Zhichun Yang, Badreddine Assouar. Elastic bound state in the continuum with perfect mode conversion. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 154(2021): 104502. (中科院一区,固体力学旗舰期刊)

2.Liyun Cao, Zhichun Yang, Yanlong Xu, Shi-Wang Fan, Yifan Zhu, Zhaolin Chen, Yong Li, Badreddine Assouar. Flexural wave absorption by lossy gradient elastic metasurface, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 143(2020). (中科院一区,固体力学旗舰期刊)

3. 曹礼云,徐艳龙,杨智春,弹性波超构表面设计及应用(学术专著),西北工业大学出版社,2023.12.

4. Liyun Cao, Zhichun Yang, Yanlong Xu, Zhaolin Chen, Yifan Zhu, Shi-Wang Fan, Krupali Donda, Brice Vincent, Badreddine Assouar. Pillared elastic metasurface with constructive interference for flexural wave manipulation, Mechanical Systems and Signal Processing 146(2021). (中科院一区)

5. Liyun Cao, Yifan Zhu, Sheng Wan, Yi Zeng, Yong Li, Badreddine Assouar. Perfect absorption of flexural waves induced by bound state in the continuum. Extreme Mech Lett 47 (2021) 101364. (2021年中科院力学一区)

6. Liyun Cao, Zhichun Yang, Yanlong Xu, Shi-Wang Fan, Yifan Zhu, Zhaolin Chen, Brice Vincent, Badreddine Assouar. Disordered Elastic Metasurfaces, Physical Review Applied 13(2020). (中科院二区)

7. Liyun Cao, Yanlong Xu, Badreddine Assouar, Zhicun Yang. Asymmetric flexural wave transmission based on dual-layer elastic gradient, Applied Physics Letters 113, 183506 (2018). (中科院二区)

8. Liyun Cao, Zhicun Yang, Yanlong Xu. Steering elastic SH waves in an anomalous way by metasurface, Journal of Sound and Vibration 418, 1 (2018). (中科院二区)

9. Liyun Cao, Zhicun Yang, Yanlong Xu, Badreddine Assouar. Deflecting flexural wave with high transmission by using pillared elastic metasurface, Smart Materials and Structures 27, 075051 (2018). (中科院二区)

论文研究历程

超材料,最初在电磁波领域提出并随后扩展到弹性波领域,赋予弹性材料如负刚度和负质量等超常规性能。2011年,电磁波领域引入了革命性的超薄型超材料——超构表面,该亚波长结构超越了传统超材料的局限。2015年,我们课题组徐艳龙副教授探索将这一概念应用于弹性波领域,起初以地震波防护为背景,设计体波超构表面,但很难通过实验技术来验证这些理论。经过与杨智春教授和徐艳龙副教授的深入讨论,得到了关键性的启发,我们将研究重点转向航空壁板结构的减振降噪,从调控弯曲波的角度来研究振动控制前沿技术。这一方向也成为了我的博士论文的选题。

我们特别致力于实验上弯曲波调控的可视化,通过搭建多普勒激光测振仪等实验平台,我们不仅系统地拓展了弹性波超构表面调控弯曲波的理论,而且验证了其对波动力学发展的广泛影响。杨智春教授的指导对我的科研规划和论文成果撰写至关重要。他的高瞻远瞩和对细节的严谨态度指引我稳步前行。在法国洛林大学联合培养期间,Bareddine Assouar教授对论文工作的建议和指导极具价值,徐艳龙副教授对科研技术的指导也为我提供了很多解决问题的关键思路。

在杨智春教授的精心指导下,我对博士论文进行了深入优化,使其在各方面都获得了显著的提高,最终塑造成了一份高质量的学位论文。2020年,获得西北工业大学博士论文水平、答辩情况的总体评分95分的高分(满分100分),评为“特优”,也荣获了西北工业大学优秀博士学位论文奖(2023年)和中国力学学会的优秀博士论文提名奖(2022年)。

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