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题名基于响应面法的混凝土超材料原胞设计研究
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作者
陈俊豪
李俣慧
陈国东
龙广成
谢友均
曾晓辉
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机构
内江师范学院建筑工程学院
中南大学土木工程学院
海南大学基建处
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出处
《铁道科学与工程学报》
北大核心
2025年第8期3517-3530,共14页
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基金
国家重点研发计划(2023YFB2604300)
国家自然科学基金资助项目(52078490)
+1 种基金
内江市基础研究与应用基础研究项目(2024NJJCYJNJSY014)
内江师范学院大学生创新创业训练计划资助项目(X2024009,X2024072)。
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文摘
混凝土超材料的带隙特性在振动控制、隔音隔振等应用中具有重要意义,而原胞设计的精确性与高效性仍是工程领域亟待解决的难题。为提高设计效率、缩短迭代时间并优化设计过程,以实现混凝土超材料原胞带隙频率对目标频带的完全覆盖,首先采用有限元法对混凝土超材料原胞的带隙特性进行分析,识别出影响带隙的关键材料参数。随后,结合设计变量与设计目标,运用响应面法构建原胞带隙的响应面模型,并通过参数评估与残差分析验证模型的拟合性。最后,结合罚函数法,计算得到满足目标频带要求的原胞结构最佳材料参数组合。研究结果表明:散射体密度、包裹层弹性模量、包裹层泊松比和基体密度是影响混凝土超材料原胞带隙的关键材料参数。单独调整任何一个材料参数,难以实现原胞带隙频率对目标频带的完全覆盖。通过优化设计,得到了最优材料参数组合:散射体密度为11341.3 kg/m^(3),包裹层弹性模量为41521.5 Pa,包裹层泊松比为0.423,基体密度为1041.8 kg/m^(3),带隙起始频率和截止频率分别为99.6 Hz和135.6 Hz,能够满足目标频带的要求。进一步验证表明,带隙起始频率和截止频率的预测值与模拟值之间的相对误差分别为0.4%和−0.4%,表明所建立的响应面模型具有较高的精度和可靠性。本文提出的基于响应面模型的混凝土超材料原胞设计方法具有较强的通用性,并为局域共振型声子晶体的设计提供了新的解决思路。
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关键词
混凝土超材料
带隙特性
原胞设计
响应面法
罚函数法
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Keywords
metaconcrete
bandgap characteristics
cell design
response surface methodology
penalty function method
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分类号
TU528.41
[建筑科学—建筑技术科学]
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