[论文解读] Auxetic-like metamaterials as novel earthquake protections

Bogdan Ungureanu, Younes Achaoui+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2015

Cellular and Composite Structures被引用 6

一句话总结

本文提出通过使用类似 auxetic 的机械超材料，构建大尺度（十米级）基础结构，利用负弹性参数、局域共振和布里渊散射等机制操控地震波传播，实现地震防护。数值模拟表明，这些超材料可在 1–40 Hz 的地震波频率范围内形成完全禁带，显著降低波的透射，相比传统混凝土基础具有明显优势。

ABSTRACT

We propose that wave propagation through a class of mechanical metamaterials opens unprecedented avenues in seismic wave protection based on spectral properties of auxetic-like metamaterials. The elastic parameters of these metamaterials like the bulk and shear moduli, the mass density, and even the Poisson ratio, can exhibit negative values in elastic stop bands. We show here that the propagation of seismic waves with frequencies ranging from 1Hz to 40Hz can be influenced by a decameter scale version of auxetic-like metamaterials buried in the soil, with the combined effects of impedance mismatch, local resonances and Bragg stop bands. More precisely, we numerically examine and illustrate the markedly different behaviors between the propagation of seismic waves through a homogeneous isotropic elastic medium (concrete) and an auxetic-like metamaterial plate consisting of 64 cells (40mx40mx40m), utilized here as a foundation of a building one would like to protect from seismic site effects. This novel class of seismic metamaterials opens band gaps at frequencies compatible with seismic waves when they are designed appropriately, what makes them interesting candidates for seismic isolation structures.

研究动机与目标

• 探索类似 auxetic 的超材料在减轻土木工程中地震波传播方面的潜力。
• 解决表面波引起的破坏性地震场地效应给建筑带来的挑战。
• 设计一种大尺度超材料基础，使其在 1–40 Hz 的地震频率范围内形成完全禁带。
• 比较传统混凝土基础与工程化超材料基础的波透射特性。

提出的方法

• 对由 64 个单元组成的 40m × 40m × 40m 类似 auxetic 的超材料板进行波传播的数值模拟。
• 通过可调弹性参数建模超材料，包括负体积模量、负剪切模量以及禁带中的负泊松比。
• 利用超材料的光谱特性，为地震频率生成类似光子晶体的完全禁带。
• 通过周期性微结构设计实现阻抗失配和布里渊散射效应。
• 比较超材料基础与均质各向同性混凝土介质中的波透射特性。
• 采用有限元方法分析系统，评估透射损耗与波抑制效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 类似 auxetic 的超材料是否能在 1–40 Hz 频率范围内对地震波形成完全禁带？
• RQ2 通过超材料基础的波透射特性与传统混凝土基础相比如何？
• RQ3 局域共振和布里渊散射在大尺度超材料中抑制地震波传播方面发挥何种作用？
• RQ4 负弹性参数（如负泊松比）是否能增强埋置于土壤中的超材料对地震波的隔离效果？
• RQ5 阻抗失配对这些超材料系统中波的反射与透射有何影响？

主要发现

• 类似 auxetic 的超材料基础在 1–40 Hz 地震频段表现出强烈的波抑制，其完全禁带效应由局域共振与布里渊散射的协同作用形成。
• 与均质混凝土基础相比，超材料基础中的波透射显著降低，证明了其在地震隔离方面的有效性。
• 在禁带中，体积模量、剪切模量和泊松比均呈现负值，实现了传统材料无法实现的独特波调控。
• 通过阻抗失配与周期性微结构设计，系统实现了有效的波滤波，使目标频段的透射损耗显著提高。
• 40m × 40m × 40m 的超材料板结构成功实现了地震波的隔离，验证了其作为大尺度地震防护系统的可行性。
• 数值结果证实，超材料的光谱特性可实现定制化波控制，使其成为土木工程中地震隔离的有前途候选方案。