力学与声学超材料在船舶工程中的应用研究综述

超材料的设计与应用研究超材料是指具有特殊的电磁性质、光学特性和声学特性的人工材料。

由于其独特的性质，超材料在科学研究和工业应用中具有广泛的应用前景。

本文将从材料的设计和应用两个方面探讨超材料的研究进展。

一、超材料的设计1.1 常见的超材料设计方法超材料的设计方法有很多种，其中最常见的几种为：几何变换法、介质填充法、多层结构法和金属纳米小球阵列法。

几何变换法是指通过改变结构的形态、大小或方向等方式，使得电磁波的传播行为发生变化。

介质填充法是指将超材料中空的部分填充上一些特殊的介质，从而改变电磁波传播的性质。

多层结构法是指通过将材料分成多个层次，每层的材料和厚度不同，从而实现对电磁波的调控。

金属纳米小球阵列法是指在某种介质中分散金属银球，形成对电场的局域增强，从而实现对电磁波的调控。

1.2 现有的材料制备技术超材料的制备技术一直是超材料研究的核心问题。

目前，超材料的制备主要有三种方法：电子束制备、光学制备和化学气相沉积法。

电子束制备主要是通过高能量电子束辐照和退火来制备超材料。

光学制备主要是通过激光辐射、光刻技术、自组装法等方法来制备超材料。

化学气相沉积法则是利用化学反应在超材料表面沉积一层化学物质，通过反应温度和沉积时间可以控制薄膜的厚度和化学组分。

1.3 超材料设计的应用前景超材料具有优良的电磁、光学和声学特性，因此在电磁波隐身技术、光学通讯、结构振动控制、生物传感器等领域有广泛的应用前景。

二、超材料的应用研究2.1 超材料在电磁波隐身技术中的应用电磁波隐身技术是指利用特殊的材料和结构，使得电磁波在特定频率范围内不被探测到，达到隐身效果。

超材料由于其特殊的电磁特性，成为了电磁波隐身技术的一种重要手段。

例如，利用金属纳米球和多层结构的超材料设计，可以实现对电磁波的反向散射和吸收，从而达到隐身效果。

2.2 超材料在光学通讯中的应用超材料在光学通讯中的应用主要是利用材料对光场的散射、吸收、透过和反射等性质，设计各种光学器件，从而实现信息的传输和处理。

CFD技术在船舶领域的应用一、引言在船舶阻力性能研究领域，传统的确定船舶阻力的方法有船模试验的方法、理论计算方法和波形分析方法。

与传统理论计算方法和波型分析方法相比，新兴的CFD方法处理带自由表面的流动问题已经达到了一定的精度，并且这种方法克服了将船体粘性流场与自由波场分开研究的特点，将船体阻力作为一个整体，从而使船舶CFD的数值计算结果和水池船模拖曳试验的目标相一致，大大增强了数值计算结果与试验数据的可比性，同时也极大的减少的船舶设计中的工作量，提高了效率。

二、关键字CFD技术船舶阻力船舶优化应用三、计算流体力学的起源计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。

他作为流体力学的一个分支产生于第二次世界大战前后，在20世纪60年代左右逐渐形成了一门独立的学科。

总的来说随着计算机技术及数值计算方法的发展，我们可以将其划分为三个阶段：第一，初始阶段（1965～1974）这期间的主要研究内容是解决计算流体力学中的一些基本的理论问题，如模型方程（湍流、流变、传热、辐射、气体－颗粒作用、化学反应、燃烧等）、数值方法（差分格式、代数方程求解等）、网格划分、程序编写与实现等，并就数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确解进行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律。

第二，工业应用阶段(1975～1984年)随着数值预测、原理、方法的不断完善，关键的问题是如何得到工业界的认可，如何在工业设计中得到应用，因此，该阶段的主要研究内容是探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用。

第三，快速发展阶段（1984至今）CFD在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果，在学术界得到了充分的认可。

四、计算流体力学的基本原理计算流体力学以理论流体力学和计算数学为基础，是这两门学科的交叉学科。

计算流体力学在船舶设计中的应用研究随着科技的不断发展，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）在船舶设计中的应用越来越广泛。

CFD是研究流体运动过程的数值计算方法，可以通过计算模拟流体力学的各种过程，对船舶的设计和性能进行优化。

一、CFD在船舶设计中的应用1. 流场分析CFD可以模拟船舶在运动过程中的流场情况，包括水流、气流等。

根据模拟得到的流场分析结果，可以进一步了解船舶的流阻、流场分布等特性。

在设计船舶时，可以通过调整船体的形状和尺寸来减少流阻，提高船速和燃油经济性。

2. 吸力分析在船舶的设计过程中，吸力是一个重要的指标，它关系到船舶在运动中所产生的液体动力。

通过CFD模拟，可以对船舶在行驶过程中所产生的吸力进行分析和评估，及时发现和解决吸力问题，提高船舶的耐力和安全性。

3. 推进器设计CFD也可以应用于推进器的设计和优化。

针对不同类型、不同运动状态的船舶，通过CFD模拟，可以得到不同推进器下的流场分析结果，进而优化推进器的设计。

这对提高船速和减少燃油消耗等方面具有重要意义。

4. 海浪性能分析海浪对于船舶的性能有着重要的影响，在船舶设计时需要充分考虑海浪的影响。

通过CFD模拟，可以模拟不同海况下船舶的运动性能，包括船体姿态变化、载荷情况、速度变化等。

这对于船舶的安全性、稳定性和可靠性有着重要的意义。

二、CFD在船舶设计中的优势1. 节省时间和成本CFD可以在计算机上进行数值模拟，避免了传统的模型试验过程，不仅节省了时间和成本，而且能够快速有效地得到各种设计方案的流场分析结果。

2. 提高设计水平和质量通过CFD模拟，设计师能够更加准确有效地评估不同设计方案的流场特性和性能表现，从而有针对性地调整船体的形状和尺寸，提高整个设计的水平和质量。

同时，也能够规避一些不可预测的因素和意外情况，减少风险。

3. 精度高、模型复杂度高CFD模拟具有较高的精度和可靠性，在模拟复杂流场和流体运动过程时表现出良好的性能。

舰船水动力性能研究及其在设计中的应用舰船是国家海洋力量的象征，所以其设计与制造一直是军事科学技术的重要领域。

作为舰船设计过程的重要组成部分，水动力性能的研究与优化已成为海洋工程领域的难点和热点问题。

水动力性能是指船在水中运行时所受到的各类阻力、推进力和流体力学效应等因素的影响。

例如，重载电子导弹驱逐舰就需要具备较强的加速性能和超过20节的高航速，以适应现代化特战需要；而补给舰则需要具备较低的阻力和较高的传动效率，以便能够长时间巡航。

舰船水动力性能的研究内容主要包括：船体的流体力学性能、船舶动力学性能、推进性能、操纵性能等。

1. 船体的流体力学性能船体的流体力学性能是指船体在运行过程中，与周围水体之间产生的各种相互作用，如阻力、流场分布、气泡、压力脉动等水动力现象的研究。

流体力学性能的研究对于船舶的性能、控制和设计都具有重要的作用。

如在设计新型舰船时，科学地评价船体的流体力学性能可以节省一定的生产成本，降低交船完成时间。

同时，研究船体的流体力学性能也有助于提高船舶的速度性能和耐波性能。

2. 船舶动力学性能船舶动力学性能主要是指船舶在水中运动过程中所受到的各种力学影响和变化，如浪陡型、姿态、加速度等。

船舶动力学性能的研究有助于评估航速性能和船舶姿态，进而指导航行和能源使用等方面。

对于大型军舰，动力学性能评估也是一个关键问题。

船舶在海上要面临着复杂多变的海域和气候环境，而唯有考虑一些船体的动力学参数，方可更好地维持航行方向，避免受到外界风力和海浪等影响。

3. 推进性能推进性能主要是指船体的推进方式和方法及效率等问题。

对于各种类型的舰船，在选择船体动力方面，需要根据不同的载重和航速等运输条件采用最为合理的动力配置。

推进效率直接影响船体能源利用和航速等技术性参数，因此在推进性能的评估方面，需要根据现代先进的流体力学方法和数值模拟技术，通过模拟分析和实验验证，来评估船舶的推进效率。

4. 操纵性能操纵性能主要是指船体在海面上的航行及航向操纵等方面的性能。

船舶工程中的新技术与新材料研究
新技术与新材料研究：
随着新技术的出现，船舶工程也受到了很大的影响。

新技术的运用使
得船舶建造更加可靠、方便、安全，也为船舶建造带来了更多的可能性。

新技术提高了船舶建造效率，减少了劳动力和成本，也为船舶设计提供了
更大的自由度。

目前，船舶工程中重要的新技术及材料包括节能技术、推进装置、柔
性舱壁技术、船体声学和动力控制等。

这些新技术和材料的运用可以提高
船舶性能，使其更节能、安全、便捷、可靠。

首先，节能技术是船舶工程中的一种重要新技术，包括提高船体效率、优化推进方式、改进油耗控制和升级活动装置等。

节能技术还可以提高船
舶发动机的能效，降低热噪声，改善船舶航行环境，减少船舶碳排放。

其次，船舶工程中的推进装置也是一种重要的新技术，它使用柔性系统，实现更快、更准确的航向控制，减少燃油耗量，降低船舶发动机的噪音，改善船舶行驶过程中的稳定性和推进效率。

推进装置还可以提升船舶
的转弯灵敏度，减少船舶操纵困难的现象，实现精确的航向控制。

另一种重要的新技术是柔性舱壁技术，它可以缓解船舶航行过程中的
振动和噪音，提高船舶隔声性能。

1超材料1.1概述超材料(Metamaterials)指的是一种特种复合材料或结构，通过在材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。

超材料由自然材料制成的“积木块”(尺寸为微毫米级)构成。

这些“积木块”称为人工原子(meta-atoms)，当不同的人工原子组合在一起时，会形成单个人工原子所没有的材料属性和功能特征。

一般情况下，常规自然材料的物理属性取决于构成材料的基本单元及其结构，例如原子、分子、电子、价键、晶格等。

这些基元与显微结构之间存在关联影响。

因此，在材料设计中需要考虑多种复杂的物性因素，而这些因素的相互影响也往往限定了材料性能固有极限。

为此，超材料设计从根本上摒弃了自然原子设计所囿，利用人工构筑的几何结构单元，在不违背物理学基本定律的前提下，以期获得与自然材料迥然不同的超常物理性质的新材料。

简言之，超材料是一大类型人工设计的周期性或非周期性的微结构功能材料，具有超越天然材料属性的超常物理性能。

超材料借助人工功能基元构筑的结构设计源起于(但不限于)对自然材料微结构的模仿，从而获得为人类所希冀的负折射、热隐身、负刚度、轻质超强等天然材料所不能呈现的光、热、声、力学等奇异性能。

从这个角度讲，超材料的结构设计理念具有方法论的意义，解除了天然材料属性对创造设计的束缚。

尽管这一理念早在上个世纪就已在电磁领域初具雏形，不过直至近十年来，方才开启研发电磁波的调控，以实现负折射、完美成像、完美隐身等新颖功能。

随着先进制造技术的进步，具有更多样化、更新奇力学特性的力学超材料物理模型也相继不断展现。

尤其是当超材料的个性化独特微结构设计与3D打印制造技术形成了完美的契合之时，两者之间相互整合协同创新，正开启全面推进材料创新设计和制造的新格局。

1.2超材料类型及研究现状材料的属性，不是仅仅由一种物性决定，也不是几种晶体学特性的总和，或是一系列的微尺度晶界工程特性来决定的，而是由材料晶体结构各个单元之间的本构关系，也就是不同晶格单元之间如何组合的结构拓扑关系所决定的，而这些外在表现出来的宏观物理学的行为属性，发挥着其应有的可利用价值。

第53卷第2期2024年2月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.53㊀No.2February,2024声学双曲构型超材料的负折射特性研究刘㊀松1,赵仁洁1,杜一帆1,吴㊀芳2,宋和滨3,高㊀鹏3(1.大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE 软件全国重点实验室,大连㊀116024;2.大连船舶重工集团有限公司,大连㊀116011;3.中国船级社(CCS)大连分社,大连㊀116013)摘要:声学双曲超材料是具有双曲色散特性的人工材料,具有极强的各向异性,其负折射特性是研究实现高分辨率聚焦型超透镜的理论依据㊂针对远场噪声源识别受制于0.5倍波长声波瑞利衍射识别分辨率问题,结合声学超材料对声波的优异调控效果,引进可以实现亚波长超分辨率成像的双曲超材料,利用其负折射特性设计了一种用于工作频率为2271.5Hz 的声学双曲结构㊂分析了该构型的双曲结构色散特性及负折射特性,结果表明声波在该双曲超材料中传播的群速度方向垂直于波矢,并沿着色散曲线的法线方向㊂本文的研究为实现对声波和弹性波的任意调控,以及噪声源的聚焦定位㊁识别放大等提供了一定的设计参考㊂关键词:声学超材料;声学透镜;弹性波带隙特性;负折射;双曲色散;声聚焦中图分类号:O735;TL375.2㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2024)02-0246-06Negative Refraction Characteristics of Acoustic Hyperbolic Configuration MetamaterialsLIU Song 1,ZHAO Renjie 1,DU Yifan 1,WU Fang 2,SONG Hebin 3,GAO Peng 3(1.State Key Laboratory of Structural Analysis,Optimization and CAE Software for Industrial Equipment,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China;2.Dalian Shipbuilding Industry Company,Dalian 116011,China;3.China Classification Society (CCS)Dalian Branch,Dalian 116013,China)Abstract :Acoustic hyperbolic metamaterials are artificial materials with hyperbolic dispersion characteristics and strong anisotropy.Their negative refractive properties are the theoretical basis for studying the implementation of high-resolution focused superlenses.In response to the problem that the recognition of far-field noise sources is limited by the resolution of 0.5times wavelength acoustic Rayleigh diffraction recognition,combined with the excellent control effect of acoustic metamaterials on sound waves,a hyperbolic metamaterial that can achieve sub wavelength super-resolution imaging is introduced,and its negative refractive characteristics are used to design an acoustic hyperbolic structure for working at a frequency of 2271.5Hz.The dispersion and negative refraction characteristics of the hyperbolic structure of this configuration were analyzed,and the results show that,the group velocity direction of sound waves propagating in this hyperbolic metamaterial is perpendicular to the wave vector and follows the normal direction of the dispersion curve.The research in this paper provides some design references for realizing arbitrary regulation of sound wave and elastic wave,as well as focusing,locating,identifying and amplifying noise sources.Key words :acoustic metamaterial;acoustic lens;elastic wave bandgap characteristic;negative refraction;hyperbolic dispersion;acoustic focusing㊀㊀收稿日期:2023-08-21㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(51609037)㊀㊀作者简介:刘㊀松(1982 ),男,吉林省人,博士,高级工程师㊂E-mail:liusong@0㊀引㊀㊀言负折射率材料是某一特定频段下折射率为负数的新型超材料,当入射波与折射波位于法线的同侧时被称作负折射㊂正常聚焦透镜只聚焦传输波的能量,但是负折射材料可以在聚焦传输波的基础上继续聚焦倏㊀第2期刘㊀松等:声学双曲构型超材料的负折射特性研究247㊀逝波的能量,可以突破衍射极限,形成完美透镜㊂该类材料最早在电磁波领域被提出,前苏联物理学家Veselago[1]通过大量的理论推导设想了一种介电常数和磁导率均为负数的材料,具有负的折射率,当电磁波通过具有该特性的材料后出现负折射效应和声聚焦特性㊂Pendry[2]根据负折射的理论制备出具有等效负介电常数的周期性特性的超材料㊂Smith等[3]与Shelby等[4]设计了一种棱镜,首次从实验角度证实了负折射现象的真实存在,并由此实验证明当光线入射到负折射率介质表面时,折射光线与入射光线分布在分界面一侧㊂声学超材料具有与电磁材料通过周期性结构来调控电磁波传播的相似性[5]㊂声学超材料的特殊属性,尤其是负折射特性研究可为声场聚焦和声源定位提供支撑[6]㊂声学双曲超材料是具有双曲色散特性的人工材料,具有极强的各向异性,通过改变双曲材料结构尺寸㊁分布规律能够完成对声波强度和传播方向的控制[7]㊂对于声场聚焦问题,需要根据声源特性或设定的带宽对超材料进行详细的拓扑优化设计㊂王涵[8]从声学超材料的波衰减特性和双负特性这两个重要性质入手,提出三种新型蜂窝声学超材料均具有双负特性,但并未证实其负折射线现象㊂宋刚永[9]设计了基于变换声学理论的浸没式声学放大透镜,通过实验验证该透镜可在5650~6350Hz实现声场聚焦㊂杨帅等[10]在空气中将工字钢排列为正方形实现了负折射率,但只有在特定的频率范围,如5000Hz左右,声波在Z型线性波导中才能够较好地传播㊂整体来讲,目前双曲超材料的带隙频段较高,随着声源特性频率的降低,需设计可用于中低频段的超材料㊂本文基于拓扑优化方法,设计了一种可用于中低频段声场调控的双曲构型,从平面波入射三角棱镜声场分布研究入手,通过数值模拟方法分析了该构型的双曲结构色散特性及负折射特性㊂1㊀声学双曲构型设计在能够保持晶格对称性的前提下,构成晶体的最小的周期性结构单元称为晶体的单胞㊂本文设计双曲构型单胞示意图如图1所示,晶格常数a=26mm,交错分布的结构臂长d为22.5mm,壁厚t为1mm,尺寸构型由两个对称分形组成,两部分间隔c为2mm㊂图1㊀双曲构型单胞示意图Fig.1㊀Schematic diagram of the acoustic hyperbolic configuration metamaterial 本文设计亮点在于声子晶体内部有交错分布的结构臂,当声波通过此结构后能够延长声波的传递路径,进而延长了声波总的传播时间,最终实现对声波的相位调控㊂2㊀能带图分析结合双曲构型单胞特点,采用正方形晶格计算其能带特性,正方形晶格不可约布里渊区示意如图2所示㊂数值模拟双曲构型能带结构时,边界条件选为Floquet周期,根据Bloch定理可知,将波矢k沿着倒格矢空间内不可约布里渊区边界进行扫掠,即可得到能带结构,同时得到各能带对应的结构振动模态㊂扫掠方向为M-Γ-X-M㊂材料参数为:泊松比σ=0.41㊁弹性模量E=2450MPa㊁波速c1=716m/s,密度ρ1=1300kg/m3㊂空气参数为:密度ρ2=1.21kg/m3,速度c2=343m/s㊂计算得到的能带结构如图3所示㊂图中横坐标为波矢k的扫掠方向,即形成一个完整的扫掠回路;纵坐标为扫掠所对应的频率,频率范围为0~6000Hz㊂通过对所设计构型的能带结构模拟研究,从能带结构图中可以发现,第二能带的带顶较平,并且关于Γ248㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷点附近对称性较好,共振频率为2271.5Hz㊂这表明声学超材料拥有更多的分支㊁更长的传播路径,且在此频率附近将出现负折射现象㊂图2㊀正方形晶格不可约布里渊区示意图[11]Fig.2㊀Schematic diagram of irreducible Brillouin region of a square lattice[11]图3㊀设计的双曲超材料的能带结构图Fig.3㊀Energy band structure diagram of designed hyperbolic metamaterials 3㊀色散特性在二维空间内,声学双曲超材料的等频线分布情况可以用声波色散方程描述:k 2x ρx +k 2y ρy =ω2B (1)式中:k x 为x 方向的波矢分量,k y 为y 方向的波矢分量,ρx 为x 方向的等效密度分量,ρy 为y 方向的等效密度分量,ω为声波波数,B 为等效模量㊂本文设计的双曲构型在2271.5Hz 时的等频线为双曲分布,双曲色散曲线如图4(a)所示,入射波由自由空间入射到双曲媒质,其入射波的传播方向为k i ㊁折射方向为k r 及双曲媒质中的群速度方向为v g ,其中群速度与频率关系式由v g =Δk ω可知其群速度的方向垂直于波矢,即沿着色散曲线的法线方向㊂尽管折射波的相速度为正,但入射波与折射波的能流都在法线同侧,因而此时出现负折射㊂图4(b)为通过COMSOL Multiphysics 软件提取的双曲构型的二维等频色散分布图㊂图4㊀双曲构型色散曲线示意图Fig.4㊀Diagram of hyperbolic configuration dispersion curve 4㊀折射率计算双曲构型超材料折射率计算示意图如图5所示,计算区域由五大部分组成:完美匹配层(perfectly matched layer,PML)-背景压力场-双曲构型-周期性边界-完美匹配层㊂背景压力场区域提供幅值为1Pa 的㊀第2期刘㊀松等:声学双曲构型超材料的负折射特性研究249㊀平面波,模拟声波入射环境;图中四个红点表示提取双曲构型前后声压值的位置点,在声波入射方向布置两个传声器1和2,分别在距离单胞左边界30和0mm 处,在构型右侧同样布置2个传声器3和4,提取四个位置点的声压值便于后续计算㊂在COMSOL Multiphysics 压力声学频域中进行计算㊂进行网格划分时,完美匹配层划分5层网格,其余部分按照四边形网格划分,单元尺寸选为1mm㊂在折射率图中横坐标为扫频频率,范围为2000~3000Hz,纵坐标为各个频率计算得到对应的折射率㊂计算的双曲构型单胞尺寸选为26mm ˑ26mm,背景压力场尺寸选为26mm ˑ150mm,周期性边界尺寸选为26mm ˑ150mm,完美匹配层尺寸选为26mm ˑ130mm,图5中可看到计算域的划分以及各区域的名称㊂为保证超材料出现中低频带隙特性,将构型在2000~3000Hz 的频率范围内在空气场中作扫频分析,计算声场的尺寸为510mm ˑ26mm,随后提取构型左边界的入射声压及左边界的出射声压随之得到该双曲材料的透射系数与反射系数,得到透射系数和反射系数后可以得到折射率的表达式n =-i lg x +2πm ka (2)式中:k =ωC 0为声波波数,ω为圆频率,C 0为声波声速,ω=2πf ,f 为频率;m 为反余弦函数分支,仅能取整数,由于实际声传播方向不存在周期性结构,故m =0;i 为虚数㊂x =1-R 2P +T 2P +r 2T P (3)r =ʃ(R 2P -T 2P -1)-4T 2P(4)式中:T P 为透射系数,R P 为反射系数,n 为折射率,a 为晶格常数,取值为26mm㊂计算得本双曲构型折射率如图6所示,可以清晰看到本构型在2271.5Hz 时的折射率为负数㊂图5㊀COMSOL 计算折射率示意图Fig.5㊀COMSOL calculation of refractive index diagram 图6㊀双曲构型折射率计算示意图Fig.6㊀Schematic diagram for calculating refractive index of hyperbolic configuration 5㊀负折射特性数值仿真验证通过有限元分析方法对双曲构型的负折射特性进行仿真验证㊂将双曲构型排列为边长尺寸为461mm 的三角棱镜(见图7),置于自由场中,四周采用完美匹配层营造良好的吸声效果,避免回波干扰;在棱镜左侧设置介质为空气的背景压力场平面波幅值为1Pa,三角棱镜右侧部分设为空气域,如图8所示㊂为对比双曲构型负折射特性仿真的效果,在保证计算域条件相同的情况下,分别探讨了有无三角棱镜的声场传播特性㊂首先给出平面波在空气域中的传播特性,可以看到平面波在声场中均匀传播,如图9所示㊂然后在声场中添加三角棱镜,在棱镜左侧施加平面波完成激励,平面波的入射方向沿棱镜左侧向右(如图250㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷10)㊂观察平面波穿过声学双曲介质排布而成三角棱镜后的声场分布可以清晰看出,当声波在经过声学双曲超材料三角棱镜的声波调控后,入射波与经过声学双曲超材料调控后的折射波位于法线同侧,即出现了负折射现象㊂为了使负折射效果更加明显,该部分放大了显示倍数,且在完美匹配层的声学边界中对声压进行计算,证明了声压呈现衰减状态,声波传播无反射㊂图7㊀双曲构型棱镜示意图Fig.7㊀Schematic diagram of a hyperbolic configurationprism图8㊀COMSOL负折射验证示意图Fig.8㊀Schematic diagram of negative refractionverification图9㊀平面波无棱镜声场分布示意图Fig.9㊀Schematic diagram of plane wave sound field withoutprism图10㊀平面波入射三角棱镜声场分布示意图Fig.10㊀Schematic diagram of plane wave incidentsound field of triangular prism 从平面波有无三角棱镜耦合的声场分布图对比来看,负折射率的双曲介质对平面波的传播起到了调控作用,当声波穿过透镜后声波的传播方向得到了改变,入射声波经声学双曲超材料调控后的折射波与入射波位于法线的同侧㊂由斯涅耳定律可知,棱镜的折射率为负数,该材料存在负折射现象,经过有限元仿真验证了所设计声学双曲超材料的负折射属性㊂这说明本文所设计的声学双曲超材料单元可以对相应声波进行调控,该双曲构型后续可以用于声学透镜的聚焦㊂6㊀结㊀㊀论本文提出一种声学双曲超材料构型,分析了该构型的负折射特性,基于有限元分析软件对该构型的折射率进行了计算,折射率为负数,该构型满足负折射的条件㊂从能带结构图中可以发现第二能带的带顶较平,并且关于Γ点附近对称性较好,共振频率为2271.5Hz㊂这表明本文设计的声学双曲超材料拥有较多分支,对声波的传播路径可以有效延长,且在此频率附近出现了负折射现象,可用于声波调控及声场聚焦㊂本文的研究为实现对声波和弹性波的任意调控,以及远场噪声源的聚焦定位㊁识别放大等方面提供了一定的设计参考㊂参考文献[1]㊀TANASHYAN M M,LAGODA O V,VESELAGO O V,et al.A pathogeneteic approach to the treatment of vestibular disorders in angioneurology[J].Zhurnal Nevrologii i Psikhiatrii Im S S Korsakova,2019,119(5):32.[2]㊀PENDRY J B.Transfer matrices and conductivity in two-and three-dimensional systems.I.Formalism[J].Journal of Physics:CondensedMatter,1990,2(14):3273-3286.㊀第2期刘㊀松等:声学双曲构型超材料的负折射特性研究251㊀[3]㊀SMITH D R,PADILLA W J,VIER D C,et posite 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船舶科技创新汇报材料
尊敬的领导和各位同事：
我很荣幸能够在今天向大家汇报我们所取得的船舶科技创新成果。

以下是我们的报告内容：
一、项目背景：
近年来，随着航运业的快速发展，为了应对市场竞争和环保要求的双重压力，我司决定加大船舶科技创新力度，以提高船舶性能，并且降低对环境的影响。

二、项目目标：
我们的目标是研发出更高效、更环保的船舶技术，从而提高船舶运输效率，降低碳排放量，提高经济效益。

三、创新成果：
1. 先进的船舶设计技术：我们利用最新的计算机辅助设计软件，研发出更优化的船型设计，减少船舶阻力，提高船舶速度和燃油效率。

2. 清洁能源应用：我们引入了太阳能和风能等清洁能源技术，充分利用自然资源，减少对石油等传统能源的依赖，并大幅降低碳排放量。

3. 智能化航行控制系统：我们使用最先进的智能化航行控制系统，通过自动化和智能化技术，提高船舶的航行安全性和效率，并减少人为操作带来的人为错误。

4. 环保船底涂料：我们研发了一种环保的船底涂料，具有超低阻力特性，能够减少生物附着和磨损，降低燃油消耗，延长船舶使用寿命。

四、实施效果：
我们的船舶科技创新成果取得了显著的效果：
1. 船舶运输效率提高了10%，燃油消耗降低了15%；
2. 碳排放量减少了20%，对环境保护做出了重要贡献；
3. 航行安全性提高了，人为操作错误减少了50%；
4. 船舶使用寿命延长了2年，维护成本降低了10%。

五、未来展望：
我们将继续加大船舶科技创新力度，致力于研发更先进、更环保的船舶技术，推动航运业的可持续发展。

感谢大家的聆听！我愿意回答大家的任何问题。

船舶在复杂流场中的性能研究一、背景介绍船舶在复杂流场中的性能研究是现代航海技术领域内的重要研究方向。

随着经济发展和全球化进程的不断推进，海洋经济的发展逐渐被提上日程，海运业务的需求不断增加。

而船舶的航行工况与所航行的海洋环境以及大气环境息息相关，因此，研究船舶在复杂流场中的性能，对于优化船舶运行效率、提高船舶安全性能至关重要。

二、流场对船舶的影响复杂流场是指海洋环境中的不确定性和非线性性等诸多因素导致船舶遭遇到的变化多端的流场。

流场的主要影响有以下三个方面：1. 阻力：流场对船舶的阻力与绕流、湍流等因素有着密切的关联。

在复杂的流场环境中，船舶需要克服更大的阻力才能保证正常航行，因此，需要研究如何减小流场对船舶的阻力。

2. 前驱波：前驱波是指船舶前部大约1.5到2.5倍船长的波浪。

在航行过程中，船舶所受到的前驱波会造成船舶的抖动、振动等不稳定性影响。

3. 侧向力：流场会形成侧向力，从而对船舶的稳定性产生影响。

在复杂流场环境中，船舶所受侧向力更大，需要特殊措施加以解决。

三、船舶在复杂流场中的性能研究为了探究船舶在复杂流场中的性能特征，必须对流场环境进行详细的分析和建模。

因此研究方法主要分为以下几个方面：1. 数值计算:船舶在复杂流场中的性能特征通过数值计算等模拟计算手段进行研究,以便更加客观地理解船舶在复杂流场中的运行特性。

例如，有限元方法、多尺度数值模拟等。

2. 实验室模拟:在实验室中使用比例船模进行实际的模拟试验研究，以研究船舶在复杂流场中的性能特性。

如自由运动试验，风洞试验等。

3. 实船试验:在实际船舶上进行试验研究,以最真实的形式展现船舶在复杂流场中的运行特性。

如船型试验、船舶航行试验、风浪暴测试试等。

四、复杂流场下的船舶性能优化通过对复杂流场环境对船舶的影响进行研究，可探究如何优化船舶的性能：1.减少阻力: 各类阻力的分析与减小是船舶性能优化的首要问题,适当的通过设计改进、流体动力特性改进、清洁涂料等方面减小船舶的阻力，提高航行效率。

船体结构动力学分析及其应用研究在现代海洋交通领域，船舶是不可或缺的载体。

而在大海中，由于风浪的作用等自然因素，船舶的结构力学性能尤为重要。

因此，船体结构动力学分析及其应用研究成为了当前航海工程领域的研究热点。

船体结构动力学分析的基础船体结构动力学分析的基础是结构动力学理论。

结构动力学理论主要研究物体在外界力作用下的稳定性、安全性和变形等问题。

在船体结构动力学分析中，我们主要关注船舶受到外界环境的力作用时，船体内部结构受到的应力和形变情况，并通过合理的应力优化设计，保证船舶在航行中的安全性和稳定性。

船体结构动力学分析的方法船体结构动力学分析的方法主要通过数学模型建立来实现。

数学模型可通过分析结构力学的基本方程，如应力、应变、变形等力学方程来建立。

另外，在实际情况中，我们还需要结合船舶的实际情况，比如船型、载重、船体材料等因素进行修正和模拟。

通过建立合理的数学模型，分析海洋环境对船体结构的影响，进而推导出船体在航行中的力学性能。

船体结构动力学分析的应用在船体结构动力学分析的应用领域，主要有以下几个方面。

1. 船体建模和设计船体建模是船体结构动力学分析的基础。

通过建立完整的船体模型，通过分析船体内部的力学性能，来尽可能的减轻船体的重量和增加船体的稳定性。

设计出性能优良、重量轻、经济实用的船体结构。

2. 船体检测和病害诊断在船舶的日常维护、检测和修理中，需要进行船体的检测和病害诊断。

船体结构动力学分析可通过对船体重要部位的力学性能进行分析，来检测船体的健康程度。

在有问题的情况下，可通过对船体结构动力学性能的详细分析，来诊断船体的病害。

3. 船体模拟和测试同样，通过船体结构动力学分析，可以进行船体的模拟和测试。

模拟和测试可通过模拟船舶在不同海况下的航行情况，通过分析船体的力学性能和稳定性来验证所建立的数学模型的准确性。

同时，也可通过对船体在不同环境下的实际测试，来验证数学模型的准确性和可靠性。

总结船体结构动力学分析及其应用研究是航海工程领域的重要研究方向。

新型船舶材料的应用与发展趋势在当今全球化的时代，船舶运输在国际贸易和经济发展中扮演着至关重要的角色。

随着科技的不断进步，新型船舶材料的应用正在逐渐改变着船舶制造业的面貌，并为船舶的性能、安全性和环保性带来了显著的提升。

本文将探讨新型船舶材料的应用现状以及未来的发展趋势。

一、新型船舶材料的应用1、高强度钢高强度钢在船舶制造中的应用越来越广泛。

相比传统的钢材，高强度钢具有更高的强度和韧性，能够减轻船舶的自重，提高载货量和航行速度。

例如，在大型集装箱船和油轮的建造中，高强度钢被用于船体结构的关键部位，如船板、船梁和框架等，有效地增强了船舶的整体强度和稳定性。

2、铝合金铝合金因其轻质、耐腐蚀和良好的加工性能，在船舶制造中得到了大量应用。

特别是在高速船舶、游艇和小型工作船中，铝合金被用于制造船体、甲板和上层建筑，减轻了船舶的重量，提高了航行速度和燃油效率。

此外，铝合金还具有良好的导热性能，适用于船舶的散热系统和空调设备。

3、复合材料复合材料，如碳纤维增强复合材料（CFRP）和玻璃纤维增强复合材料（GFRP），在船舶制造中的应用逐渐增加。

复合材料具有高强度、高模量、耐腐蚀和抗疲劳等优点，能够显著减轻船舶的结构重量，提高船舶的性能和耐久性。

在高性能船舶，如赛艇、军舰和豪华游艇中，复合材料被用于制造船体、桅杆和舵叶等部件，提高了船舶的速度和操控性能。

4、钛合金钛合金具有优异的耐腐蚀性、高强度和低密度等特点，在船舶领域的应用主要集中在海洋工程装备和军舰上。

例如，钛合金可用于制造海水淡化装置、冷凝器和潜艇的耐压壳体等部件，能够在恶劣的海洋环境中保持良好的性能。

5、高分子材料高分子材料在船舶上的应用范围也在不断扩大。

例如，聚乙烯、聚丙烯等塑料材料被用于制造船舶的管道、电缆护套和内饰件；橡胶材料被用于制造密封件、减震器和护舷等部件；聚氨脂泡沫材料被用于船舶的保温和隔音。

二、新型船舶材料的发展趋势1、高性能化未来的船舶材料将朝着更高性能的方向发展。

船舶螺旋桨技术的最新进展与优化方案随着航运业的发展，船舶螺旋桨技术也在不断演进和进步。

本文将介绍船舶螺旋桨技术的最新进展和优化方案，以助于提高船舶性能和能源效率。

一、船舶螺旋桨技术的最新进展1. 利用计算流体力学(CFD)仿真模拟的应用计算流体力学是一种模拟流体运动和传热的数值计算方法，在船舶螺旋桨设计中起到了重要的作用。

通过使用CFD仿真模拟，设计人员可以预测船舶螺旋桨在水中的工作情况，从而对其进行优化。

这一技术的使用可以减少试验和改进周期，提高设计效率和成本效益。

2. 利用复合材料的应用传统的船舶螺旋桨通常使用铸铁或铜合金等金属材料制造，随着复合材料的发展，船舶螺旋桨也开始应用于复合材料制造。

复合材料螺旋桨具有更高的强度和更轻的重量，可以降低船舶的燃油消耗，提高航行速度和效率。

3. 螺旋桨翼型的优化设计船舶螺旋桨的翼型设计对于提高推进效率和减小噪音有重要影响。

近年来，研究人员通过优化螺旋桨的翼型设计，使得螺旋桨在水中工作时产生更小的湍流和阻力，从而提高推进效率和降低噪音。

二、船舶螺旋桨技术的优化方案1. 提高螺旋桨的材料和制造工艺船舶螺旋桨的材料和制造工艺对其性能有着直接的影响。

选择轻质、高强度的材料，并采用先进的制造工艺，可以提高螺旋桨的耐久性和抗腐蚀能力，同时降低螺旋桨的重量。

2. 优化螺旋桨的几何参数螺旋桨的几何参数是影响其推力和效率的重要因素。

通过调整螺旋桨的叶片数、叶片扭角、直径等几何参数，可以使螺旋桨在水中的工作更加有效，提高推进效率。

3. 运用可变螺距技术可变螺距技术可以根据船舶的速度和荷载情况自动调整螺旋桨的螺距，以提供最佳的推力和效率。

这一技术可以在不同工况下最大程度地利用螺旋桨的性能，提高船舶的能源利用效率。

4. 采用多螺旋桨系统多螺旋桨系统是一种将多个螺旋桨安装在船舶上的技术，通过相互配合和协同工作，可以提供更强的推力和精确的控制能力。

这种系统适用于大型船舶或需要高机动性的船只，可以显著提高船舶的操纵性和效率。

复合材料在舰船建造中的应用【摘要】复合材料在舰船建造中的应用在航海工业中具有重要性，因为它们拥有独特的优势。

在舰船建造中，常用的复合材料类型包括碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。

这些材料被广泛应用于舰船的结构件、舾装件以及舰艇外壳等部件中，发挥着重要作用。

复合材料具有轻质、高强度、抗腐蚀等性能优势，是舰船建造中的理想材料之一。

随着技术的不断进步，复合材料在舰船建造中的发展趋势也逐渐增强，但同时也面临着一些挑战，如成本高、技术难度大等问题。

复合材料在舰船建造中的应用前景仍然广阔，其在提高舰艇性能、延长使用寿命等方面具有重要的价值。

随着航海工业的发展，复合材料将继续发挥着重要作用，为舰船建造领域带来更多的创新和突破。

【关键词】关键词：复合材料、舰船建造、应用、优势、性能、发展趋势、挑战、前景、价值1. 引言1.1 复合材料在舰船建造中的应用的重要性复合材料在舰船建造中的应用的重要性体现在多个方面。

复合材料具有优异的性能特点，包括高强度、轻质、耐腐蚀等特点，使得其在舰船建造中能够发挥重要作用。

复合材料具有良好的设计自由度，可以根据舰船的需要进行灵活设计和定制，满足复杂结构和功能要求。

复合材料还能够提高舰船的性能指标，如减少舰船的重量、提高航行速度、减少燃油消耗等，从而提高舰船的整体性能和经济性。

复合材料在舰船建造中的应用能够为舰船带来更好的性能表现和经济效益，促进舰船建造行业的发展和进步。

复合材料的应用不仅可以提高舰船的战斗力和生存能力，还可以为舰船建造领域注入新的活力和创新思维，推动舰船建造行业朝着更加科技化、绿色化和可持续发展的方向发展。

1.2 复合材料的优势复合材料在舰船建造中的优势主要体现在以下几个方面：1. 强度高：复合材料由不同材料组合而成，具有较高的强度和刚度，能够承受舰船在航行过程中的各种力和压力，确保舰船结构的稳定性和安全性。

2. 轻质化：相比于传统的金属材料，复合材料具有更轻的重量，可以降低舰船的自重，提高航行速度和耗能效率，同时减少了燃料消耗，降低了运营成本。

声子晶体声传播特性研究进展及其在船舶行业中的应用田斌【摘要】Phononic crystal is an important acoustic artificial materials.It has been extensively investigated because of their characteristics of wave propagation, which is of great significant.This paper summarizes the research progress of band gap properties and mechanism, and acoustic absorption.This paper provides a reference for the fabrication and wave propagation investigation of acoustic artificial materials.Meanwhile, phononic crystal shows outstanding features in reducing vibration and blocking noise, and the band gap characteristics in suppressing vibration source of strength, vibration isolation and damping mechanism have been preliminary study, which laid a good foundation for the application of phononic crystal on vibration of the ship noise reduction.%声子晶体是一种重要的声人工材料,由于其独特的声波传播特性而得到广泛研究,对声人工材料中声波传播特性的研究具有重要意义.文章综述了声子晶体带隙特性、带隙机理以及吸声特性的研究进展,并对其在船舶减振降噪中的应用前景进行了展望.【期刊名称】《青岛科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(038)004【总页数】7页(P47-53)【关键词】声人工材料;声子晶体;带隙;减振降噪【作者】田斌【作者单位】中国船舶工业系统工程研究院,北京 100094【正文语种】中文【中图分类】O429弹性常数及密度周期分布的材料或结构被称为声子晶体，声子晶体是一种具有弹性波带隙的周期性结构与功能性材料[1]。

船舶流体力学船舶流体力学是研究船舶的流体动力学。

它涉及到多种复杂的力学概念，以便了解船舶在空气和流体中的运动行为。

它可以用来计算船舶在不同情况下，如气压、水流和海浪作用下的运动特性，这对船舶的设计、构造和操作至关重要。

船舶流体力学研究的研究内容主要包括流体力学基础、船舶流动、船舶声学等。

其中，流体力学基础包括流体流变性质、流体力学原理、流体流动过程、传热热力学等。

船舶流动研究的内容涉及运动的定位和控制、流场的分析、气动及液体动力学研究、流体机械中应力的变化以及涡轮机组等方面的研究。

船舶声学研究的内容有源的声学传播、室内声学测量和计算、水声波在海水环境中的传播和模拟等。

基于上述研究，在船舶流体力学领域开展的科学技术研究及应用活动有：发展船舶动力装置新型设计理论，研究压气机性能，研究气动推力器的机理；建立船舶水动力计算的数学模型，以评估船舶的抗摇性能和行驶稳定性；开展船舶驱动器动力学分析，为船舶设计提供可靠的参考；开展船舶声学模拟研究，利用声学方法对船舶运行性能进行研究；开展船舶流体力学与设计新方法。

船舶流体力学是一个跨学科领域，涉及多种学科，如力学、流体力学、机械、控制、声学等。

研究者要在这些学科领域综合起来，以期能够更准确地掌握和描述船舶的运动行为，以及对船舶流体力学行为的分析处理方法。

船舶流体力学的研究和发展，能够改善船舶技术水平，减少船舶的燃油消耗，降低船舶的污染，以及保护人类的海洋环境。

因此，船舶流体力学作为一个研究领域，具有重要的理论价值和实用价值，是一个非常重要的研究对象和发展前景。

从未来发展来看，船舶流体力学的研究当前正在积极发展，伴随着计算机技术的不断进步，将有助于将理论研究与实际工程应用更好地结合起来，从而更好地改善船舶设计、构造和操作，实现船舶流体动力学的综合研究和发展。

船舶声弹性力学理论及其应用邹明松;吴有生【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2017(47)1【摘要】Dynamics of coupled fluid-structure interaction of ships has great demand for applications, and vast vistas in improving motion behavior and structural safety, controlling vibration and noise, and enhancing stealth capability of ships. In this paper, we summarize the status-of-the-art of theoretical and experimental developments of ship hydroelasticity and ship sono-elasticity, as well as applied techniques. We briefly describe the results ob-tained by the authors' research group in the three-dimensional sono-elasticity theory based on a three-dimensional hydroelasticity theory (Wu 1984), the improvements of computa-tional techniques, and the extensions in engineering applications. Some future directions are also discussed.%船舶结构与水介质耦合动力学在改善船舶运动性能与结构安全性,控制船舶振动噪声与提高水下声隐身性能,进行船舶综合性能的优化设计等一系列工程问题中有广泛的应用需求与发展前景.本文综述了船舶水弹性力学、声弹性力学的理论方法、试验技术与应用技术的国内外研究进展;介绍了在带航速三维水弹性力学理论(Wu 1984)基础上,作者所在课题组近年来发展的船舶三维声弹性理论、计算技术及工程应用的概况.简述了船舶三维声弹性理论的部分应用情况及发展方向.【总页数】44页(P385-428)【作者】邹明松;吴有生【作者单位】中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;深海载人装备国家重点实验室,江苏无锡214082;船舶振动噪声重点实验室,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;深海载人装备国家重点实验室,江苏无锡214082;船舶振动噪声重点实验室,江苏无锡214082【正文语种】中文【中图分类】O427.5;U661.44【相关文献】1.弹性力学理论在20000m3气柜土建基础设计中的应用 [J], 吴霄波2.船舶水弹性力学理论的研究进展 [J], 田超;吴有生3.应用弹性力学理论探讨油缸缸筒壁厚的计算方法 [J], 田崇平4.应用型本科院校人才弹性力培养的思考——评《应用型本科人才弹性力培养》[J], 毛盼娣5.基于多孔弹性力学理论的深井井底应力场分析 [J], 呼怀刚;管志川;许玉强;韩超;刘永旺;梁德阳;路保平因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

船舶流体力学
船舶流体力学是一门应用于船舶流体和流体系统设计的重要学科，其基本任务就是利用理论分析和试验测试，完成船舶及其他流体复杂系统的设计运行计算。

它是船舶及流体系统的关键性学科，它既包括流体动力学的原理，建立了定量测量及分析理论，也运用计算机技术实现综合流体分析及设计。

首先，船舶流体力学学涉及众多运用流体物理学的原理分析动环境和船舶的诸多问题，从而能够从船舶流动field，把流体力学理论概念应用到船舶流动设计和运行中，达到节能污染减少的目的，以及通过模拟试验来确定船舶航行安全性能等方面。

其卓越的技术能力表现在：
1、力学分析：从物理学航海力学方面，对流体力学理论进行深入地分析，对流体的潮汐力、波浪力、定向噪声等流体力学现象，以及扰流器的流动和阻力等力学问题进行分析，进而可以通过计算来模拟模拟和估算船舶阻力及流动状况等。

2、计算模拟：应用船舶流体力学理论及具体技术实现数值模拟，针对螺旋桨流动、螺旋桨法帆洗、拖网活动等流体运动，采用生物水动力学及海洋物理建立船舶流体力学模型，建立数值计算模拟系统，实现船舶航行的精确研究。

3、实验测试：通过模拟和回归实验，实现船舶流动性能的有效测试，解决船舶运动设计、优化和水动力结构强度等科学问题，使得船舶设计理论更精确、更关乎实际、更有效。

因此，船舶流体力学可以说是船舶流动科学研究和设计的重要基础，它优化了船舶水动力结构设计，提高了船舶性能和安全性，进一步改善了流体系统技术和船舶设计业的发展状况，有助于创建合理有效的船舶水动力结构。