[论文解读] Seismic auxetic metamaterials as novel earthquake protections

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

Cellular and Composite Structures参考文献 45被引用 3

一句话总结

本文提出了一类新型地震用 auxetic 晶体超材料，通过在土壤中制造人工禁带以阻断地震波。通过工程设计负弹性参数（如泊松比和剪切模量），这些米尺度的超材料可在地震频率下抑制波的传播，为通过能带隙工程实现地震防护提供了新机制。

ABSTRACT

We propose that wave propagation through a class of elastodynamic metamaterials opens unprecedented avenues in seismic wave protection based on spectral properties of auxetic metamaterials. The elastic parameters of these metamaterials, like the Poisson ratio { u}, bulk modulus B, shear modulus G, or the mass density {ho}0, are known to exhibit negative values in elastic stop bands. We show here that the propagation of seismic waves with different frequencies can be influenced by a meter scale version of auxetic metamaterials buried in the soil. More precisely, we numerically examine and illustrate the markedly different behaviors between the propagation of seismic waves through a continuum isotropic elastic medium (concrete) and our seismic auxetic metamaterials utilized here like a foundation of the building one would like to protect. 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 auxetic 晶体超材料在通过土壤减轻地震波传播方面的潜力。
• 通过设计具有定制弹性性能的材料，解决保护结构免受破坏性地震波影响的挑战。
• 证明通过工程设计的 auxetic 晶体超材料能带隙可有效隔离建筑物与地震频率。
• 比较传统混凝土与 auxetic 晶体超材料的波传播行为，突出性能优势。

提出的方法

• 对连续各向同性弹性介质（混凝土）中的波传播进行数值模拟，作为对比基准。
• 设计一种可调弹性参数的米尺度 auxetic 晶体超材料，包括负泊松比和剪切模量。
• 使用谱分析识别波传播被抑制的弹性禁带。
• 对体积模量和质量密度进行建模，以在特定频率范围内实现负有效参数。
• 实施能带隙工程原理，在土壤中实现特定频率的波衰减。
• 比较传统混凝土与 auxetic 晶体超材料的波透射与反射特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有工程化弹性参数的 auxetic 晶体超材料能否在特定频率下形成能带隙以抑制地震波传播？
• RQ2 auxetic 晶体超材料的谱特性如何影响其在土壤中的波透射性能，与传统材料相比如何？
• RQ3 负弹性参数（如泊松比和剪切模量）在形成有效地震能带隙中起什么作用？
• RQ4 嵌入土壤中的米尺度 auxetic 晶体超材料在多大程度上可为结构提供地震隔离？
• RQ5 在地震激励下，auxetic 晶体超材料中的波行为与标准混凝土中的波行为有何不同？

主要发现

• 在特定频率带内，auxetic 晶体超材料表现出负弹性参数（如泊松比和剪切模量），从而实现波的抑制。
• 这些超材料在与地震波频率兼容的频段内形成人工禁带，有效阻断波的传播。
• 数值结果表明，与传统混凝土相比，波在 auxetic 晶体超材料中的传播显著减少。
• 能带隙的形成直接与超材料的工程化谱特性相关，特别是负有效模量。
• 所提出的结构设计可利用嵌入土壤中的米尺度超材料，在建筑基础尺度上实现地震波隔离。
• 超材料的性能归因于其独特的负弹性参数与定制质量密度的结合。