课题组2017年以来的科研进展简介

智能材料与结构2018-05-25 06:35:40

       为了增强科学研究活力,进一步凝练学术研究方向,2017年12月,经审核批准,以课题组成员为基础成立了北京交通大学“智能材料与结构研究所”,开启了课题组团队建设的重要一步。长期以来课题组在智能材料与结构领域开展研究工作,2017年以来取得的系列进展如下:

        1.周期结构

        在国家自然科学基金面上项目(51678046)、青年基金(51508023)、中央高校基本科研业务费等项目的资助下,取得的研究成果包括:1) 基于模态分析,研究了周期基础的方向性衰减域特性,进一步提出并研究复合周期基础对水平及竖向地震动的阻隔作用。2) 给出一种新的Bloch解形式,并基于此研究了二维周期结构的复频散特性。3)应用拓展形式的微分求积分法研究了周期性欧拉梁结构、周期性铁摩辛柯梁结构的复频散特性,讨论了不同形式波动模态之间的转换问题。4)首次应用周期结构理论,研究了建筑结构波动频散特性。5)研究了任意形式离散体系周期结构的复频散特性,并基于此讨论了周期结构频散一致性与差异性问题。6)应用弱形式微分求积分法研究了非线性弹性地基上周期梁结构中波动传播问题。7)研究了饱和土-周期排桩结构对平面波的阻隔作用。8)提出了一种面波模态识别方法,并应用该方法研究了由柔性填充物-土体构成的周期结构对面波的阻隔作用。9)研究了层状周期结构对表面波的阻隔作用。10)提出了一种基于扭转共振模态的周期基础形式,并通过试验研究验证了其有效性。11)研究了准-Sierpinski形式二维周期结构的多重带隙特性。此外,受获国家科学技术出版专著基金资助,由科学出版社出版了《周期结构理论及其在隔震减振中的应用》专著一部,书中详细介绍了课题组从2007年以来在周期结构隔震减振领域所开展的一系列理论、数值及试验研究工作。2017年以来的论著如下:        

 [1]  ChengZ B, Shi Z F, Mo Y L. Complex dispersion relations and evanescent waves inperiodic beams via the extended differential quadrature method[J]. CompositeStructures, 2018, 187: 122-136.

 [2]  Pu XB, Shi Z F, Xiang H J. Feasibility of ambient vibration screening by periodicgeofoam-filled trenches[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2018,104: 228-235.

 [3]  MengL K, Shi Z F, Cheng Z B. A new perspective for analyzing complex bandstructures of phononic crystals[J]. Journal of Applied Physics, 2018, 123:095102.

 [4]  ChengZ B, Shi Z. Composite periodic foundation and its application for seismicisolation[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2018, 43:925-944.

 [5]  ChengZ B, Lin W K, Shi Z F. Wave dispersion analysis of multi-story frame buildingstructures using the periodic structure theory[J]. Soil Dynamics and EarthquakeEngineering, 2018, 106: 215-230.

 [6]  ChengZ B, Lin W K, Shi Z F. Dispersion Differences and Consistency of ArtificialPeriodic Structures[J]. Ieee Transactions On Ultrasonics Ferroelectrics andFrequency Control, 2017, 64(10): 1591-1598.

 [7]  LiuX N, Shi Z F, Mo Y L. Effect of initial stress on periodic Timoshenko beamsresting on an elastic foundation[J]. Journal of Vibration and Control, 2017,23(18): 3041-3054.

 [8]  ShiZ F, Wen Y G, Meng Q J. Propagation Attenuation of Plane Waves in SaturatedSoil by Pile Barriers[J]. International Journal of Geomechanics, 2017, 17(9):04017053.

 [9]  HuangJ K, Shi Z F, Huang W X. Multiple band gaps of phononic crystals withquasi-Sierpinski carpet unit cells[J]. Physica B-Condensed Matter, 2017, 516:48-54.

[10]  Pu X B, Shi Z F. A novel method foridentifying surface waves in periodic structures[J]. Soil Dynamics andEarthquake Engineering, 2017, 98: 67-71.

[11]  Huang J K, Liu W, Shi Z F. Surface-waveattenuation zone of layered periodic structures and feasible application inground vibration reduction[J]. Construction and Building Materials, 2017, 141:1-11.

[12]  Liu X N, Shi Z F. WFQEM-based perturbationapproach and its applications in analyzing nonlinear periodic structures[J].Mathematical Methods in the Applied Sciences, 2017, 40(8): 3079-3091.

[13]  Huang J K, Shi Z F, Huang W X, Chen X H, ZhangZ W. A periodic foundation with rotational oscillators for extremelylow-frequency seismic isolation: analysis and experimental verification[J].Smart Materials and Structures, 2017, 26(3).

[14]  石志飞, 程志宝, 向宏军. 周期结构理论及其在隔震减振中的应用[M]. 北京: 科学出版社, 2017.

周期性铁摩辛柯梁频散特性


车致环境振动实测


专著

        

        2.压电智能结构

        在国家自然科学基金优秀青年基金项目“结构工程”(51522803)的支持下,主要在压电能量俘获方面开展研究,研究成果包括:1)给出了在复杂荷载作用下,压电俘能器与非线性俘能电路的系统级耦合仿真方法,对压电俘能器的有限元模型进行特征向量法或Krylov子空间法降阶,前者可快速准确地给出等效电路参数,后者能自动过滤对俘能输出没有影响或者影响很小的模态,进而提高分析效率。2)对桥梁振动俘能进行理论和实验研究,给出了桥梁振动俘能的物理机制解释,发现了能量输出的双峰现象,并给出了分别基于桥梁自由振动和车桥耦合振动的两种桥梁振动俘能方法。3)给出了一种双压电俘能单元的能量俘获方案。2017年以来的期刊论文如下:      

[1]    Xiang H J, Zhang Z W, Shi Z F, Li H.Reduced-order modeling of piezoelectric energy harvesters with nonlinearcircuits under complex conditions[J]. Smart Materials and Structures, 2018,27(4): 045004.

[2]    Zhang Z W, Xiang H J, Shi Z F, Zhan J W.Experimental investigation on piezoelectric energy harvesting fromvehicle-bridge coupling vibration[J]. Energy Conversion and Management, 2018,163: 169-179.

[3]    Zhang Z W, Xiang H J, Shi Z F. Mechanismexploration of piezoelectric energy harvesting from vibration in beamssubjected to moving harmonic loads[J]. Composite Structures, 2017, 179:368-376.

[4]    Wang X F, Shi Z F. Double piezoelectricenergy harvesting cell: modeling and experimental verification[J]. SmartMaterials and Structures, 2017, 26(6): 065002.

车桥耦合振动能量俘获实验平台

压电俘能系统级仿真实现

车致桥梁振动宽频能量俘获的实现


       3.新型复合结构

      在国家自然科学基金面上项目“密肋复合墙结构体系火灾灾变机理及安全评估研究”(51678031)的支持下开展研究,主要研究进展包括:1)在材料层次上对加气混凝土轻质砌块进行了高温后力学性能的实验,基于连续介质力学、断裂力学及损伤力学理论提出可考虑温度效应的轻质砌块混凝土的本构关系。2)研究高温下填充轻质砌块混凝土与普通混凝土之间的粘结性能,以揭示两种材料火灾高温下相互作用、损伤破坏、能量耗散的内在机理。2017年以来的期刊论文如下:  

[1]    Sun J, Wang K P, Zhang J W,Chen A. Interfacial Properties between Infilled Autoclaved Aerated Concrete andRibbed Frame for Multi-Ribbed Composite Wall Structure[J]. ACI StructuralJournal, 2017, 114(5): 1285-1297.

[2]    Sun J, Wang K P, Xia L.Analytical Model for Multiribbed Composite Wall Structure with Open Frame atthe Bottom[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2017, 143(2): 04016115.

[3]    孙静, 张建伟, 王昆鹏. 加气混凝土与普通混凝土黏结界面剪切性能试验[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2017, 49(8): 141-145.

[4]    孙静, 张敬. 高温后轻质多孔混凝土力学性能试验[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2017, 45(6): 891-896.

高温后性能模拟I

高温后性能模拟II

材料性能实验