introduc0on# - m. ruzzene - school of aerospace engineering · 2011-10-10 · –...

26
M. Ruzzene – Introduc0on Introduc0on Massimo Ruzzene D. Guggenheim School of Aerospace Engineering G. Woodruff School of Mechanical Engineering Georgia Ins0tute of Technology Atlanta, GA 5/3/11 1 Wave Propaga+on in Linear and Nonlinear Periodic Media: Analysis and Applica+ons June 2125, 2010 Francesco Romeo Dipar0mento di Ingegneria StruHurale e Geotecnica Universita’ La Sapienza Roma

Upload: vantuyen

Post on 06-Jul-2018

215 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  

Introduc0on  

Massimo  Ruzzene  D.  Guggenheim  School  of  Aerospace  Engineering  G.  Woodruff  School  of  Mechanical  Engineering  

Georgia  Ins0tute  of  Technology  Atlanta,  GA  

   

5/3/11   1  

     

Wave  Propaga+on  in  Linear  and  Nonlinear  Periodic  Media:  Analysis  and  Applica+ons  

June  21-­‐25,  2010  

Francesco  Romeo  Dipar0mento  di  Ingegneria  StruHurale  e  Geotecnica  

Universita’  La  Sapienza  Roma      

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  

About  me…  

I.  Degrees  •  1999  Ph.D.  in  Mechanical  Engineering,  Politecnico  di  Torino,  Torino,  Italy.  •  1995  Laurea  in  Mechanical  Engineering,  Politecnico  di  Torino,  Torino,  Italy.  

 II.  Employment  •  2009-­‐Present  Associate  Professor,  Georgia  Ins0tute  of  Technology,  School  of  

Mechanical  Engineering,  Atlanta  GA.  •  2007-­‐Present  Associate  Professor,  Georgia  Ins0tute  of  Technology,  School  of  

Aerospace  Engineering,  Atlanta  GA.  •  2002-­‐2007  Assistant  Professor,  Georgia  Ins0tute  of  Technology,  School  of  

Aerospace  Engineering,  Atlanta  GA.  •  1999-­‐2002  Assistant  Professor,  Department  of  Mechanical  Engineering,  The  

Catholic  University  of  America,  Washington  DC.  

MASSIMO  RUZZENE  SCHOOL  OF  AEROSPACE  ENGINEERING  

Georgia  InsDtute  of  Technology  Atlanta,  GA  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  

About  me…  Aosta  

Torino  

Udine  

Washington  DC  

Atlanta  GA  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

Introduc0on  to    

Periodic  Structures  (with  a  structural  engineering  bias…)  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

Defini0on  

•  A  periodic  structure  consists  of  a  number  of  iden0cal  structural  components  (periodic  elements,  unit  cell)  which  are  joined  together  end-­‐to-­‐end  and/or  side-­‐by-­‐side  to  form  the  whole  structure  

•  Atomic  la[ces  of  pure  crystals:  –  “Lumped-­‐mass  systems”  interconnected  by  inter-­‐atomic  forces    

•  Structural  systems:  mass  and  elas0city  are  distributed,  and  they  define  a  periodic  structure  when  their  distribu0on  is  periodic  over  the  structural  domain  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

Periodic  structures  

Honeybee  Cells  

Iron-­‐carbon  f.c.c.  La[ce  Crystal  

Subunits  in  a    La[ced  Protein  

Truss  Architecture  in    a  Steel  Construc0on  

Fiber-­‐Reinforced  Composite  

Honeycomb  Structure  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

Engineering  structures  

•  Review  of  the  state-­‐of-­‐the  art:  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

Engineering  structures  

•  Engineering  structures  which  are  or  have  been  treated  as  periodic  include:  – Mul0  storey  buildings  –  Elevated  guideways  for  high  speed  transporta0on  vehicles  {Maglev}  

– Mul0  span  bridges  – Mul0  blade  turbines  and  rotary  compressors  –  Chemical  pipelines  –  S0ffened  plates  and  shells  in  aerospace  and  ship  structures  –  The  space  sta0on  and  space  trusses  in  general  –  Layered  composite  structures  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

Engineering  structures  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

Trusses  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

A  quick  historical  background  

•  Brillouin(*)  traces  the  history  of  the  subject  back  to  Newton:  –  the  systems  considered  were  lumped  masses  joined  by  massless  springs  

•  Rayleigh  (1887)  is  the  first  that  considers  con0nuous  periodic  structures:  –  String  with  a  periodic  density  varia0on  undergoing  harmonic  vibra0ons  –  Found  expression  of  the  phase  veloci0es  and  the  propaga0on  and  aHenua0on  

constants  

•  Between  1900  and  1960    mathema0cal  techniques  were  developed  for  analyzing  increasingly  complicated:  –  crystal  la[ce  structures  –  periodic  electrical  circuits  and  –  con0nuous  transmission  lines  

(*)  L.  BRILLOUIN  “Wave  Propaga0on  in  Periodic  Structures”  Dover,  New  York  –  1946.  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

A  quick  historical  background  •  These  techniques  have  been  invaluable  in  subsequent  studies  of  con0nuous  

periodic  engineering  structures  

•  Cremer  and  Leilich  used  some  of  them  in  1953  to  study  harmonic  flexural  wave  mo0on  along  a  one  dimensional  periodic  beam  either  with  simple  supports  or  with  point  masses  at  regular  Intervals:  

–  Simple  supports  :  monocoupled  periodic  system  (basic  periodic  element  is  coupled  to    its  neighbors  through  one  degree  of  freedom)  

–  At  any  frequency  there  exist  a  single  mode  of  wave  propaga0on  and  one  pair  of  equal  and  opposite  propaga0on  constants    

–  These  are  given  by  

L.  CREMER  and  H.O.  LEILICH  1953  Archiv  der  Elektrischen  Ubertragung  7,61  Zur  Theorie  der  BiegekeHenleiter.  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

A  quick  historical  background  

Propaga0on  and  aHenua0on  zones  alternate  along  frequency  range  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

A  quick  historical  background  

•  In  1964  Heckl  inves0gated  a  two-­‐dimensional  rectangular  grillage  of  beams  which  had  both  flexural  and  torsional  s0ffness:  –  Considered  the  mul0ple  reflec0on  and  transmission  processes  as  flexural  waves  in  one  

beam  element  impinge  on  the  junc0ons  with  adjacent  beams  –  Established  an  equa0on  for  the  propaga0on  constants  in  terms  of  the  reflec0on  and  

transmission  coefficients  which  relate  to  a  single  wave  in  just  one    

•  Ungar  examined  the  steady  state  harmonic  responses  and  propaga0on  constants  of  a  one  dimensional  periodic  beam  made  periodic  by  the  aHachment  of  arbitrary  but  iden0cal  non  dissipa0ve  impedances  at  regular  intervals:  –  found  the  propaga0on  constants  and  response  of  the  beam  when  excited  

harmonically  between  the  impedances  

M.  HECKL  1964  Journal  of  the  Acous0cal  Society  of  America  36,  1335-­‐1343,  “Inves0ga0ons  on  the  vibra0ons  of  grillages  and  other  simple  beam  structures.  E.  E.  UNGAR  1966  Journal  of  the  Acous+cal  Society  of  America  39,  887-­‐894  Steady  state  responses  of  one-­‐dimensional  periodic  flexural  systems  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

General  property  

INCIDENT

Structural  periodicity  (disconDnuiDes)  represent  sources  of    impedance  mismatch:    

TRANSMITTED REFLECTED

 Interac0on  between  incident  and  reflected  waves  produces                construc0ve/destruc0ve  interference;  

 Impedance  mismatch  zones  introduced  PERIODICALLY  along  the            structure  generate  frequency  bands  where  waves  DO  NOT        

       PROPAGATE:  

PASS/STOP  FREQUENCY  BANDS    

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

Other  applica0ons  

Surface  Acous0c  Wave  (SAW)  devices:    Band-­‐pass  delay  line:  excita0on  is  spa0ally  periodic  

From:  Auld,  B.A.,  Acous+c  Fields  and  Waves  in  Solids.  Krieger  Publ.  Co.,  1990.  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

Other  applica0ons  

•  Surface  Acous0c  Wave  (SAW)  devices:  

–  Resonator:  energy  is  trapped  in  the  standing  wave  region  within  the  stop  band  of  the  periodic  gra0ng  

From:  Auld,  B.A.,  Acous+c  Fields  and  Waves  in  Solids.  Krieger  Publ.  Co.,  1990.  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

Phononic  materials  

•  Strong  similarity  and  parallels  in  the  propaga0on  of  elas0c  (EL)  waves  and  electromagne0c  (EM)  waves  in  media  with  strong  periodic  modula0on  in  their  EL  and  EM  proper0es:  

•   Periodic  elas0c  and  dielectric  composites  are  denoted  as  CLASSICAL  BAND  GAP  MATERIALS:  

–  Characterized  by  frequency  regions  (band  gaps)  where  there  is  no  propaga0on  of  waves  

•  Much  of  the  literature  considers  terminology  and  methodologies  introduced  in  la[ce  mechanics  of  crystals;  

•  These  materials  are  known  as:  

–  PHOTONIC  Crystals  (EM  waves)  –  PHONONIC  Crystals  (EL  waves)  

•  Both  are  intensively  inves0gated  and  used  to  manipulate  LIGHT  and  SOUND&VIBRATIONS  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

Phononic  materials  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11   M.  Ruzzene  

Phononic  materials  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11  M.  Ruzzene  

22  

Acous0c  metamaterials  

Focusing  of  sound:  Flat  acous0c  lenses  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  5/3/11  M.  Ruzzene  

23  

Applica0ons  

hHp://www.iv.co.kr/tech/sub3.htm  

Tsukerman,  I.  TMAG,  41(7):2005  

Ø  Signal  processing  •  SAW  filters  and  resonators  

Ø  Wave  guiding  Ø  Vibra0on  isola0on  

•  Mirrors  •  Vibra0on  isolators  

Ø  Nega0ve  refrac0on  •  Ultrasonic  super  lenses  

Phononic  Devices  and  Meta-­‐Materials  for  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  

COURSE  OVERVIEW  

5/3/11   24  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  

Lecturers  

•  M.  Ruzzene  (Georgia  Ins0tute  of  Technology):  –  Basic  analysis  tools,  structural  la[ces,  smart  periodic  structures,  periodic  sensors  

 •  A.  Movchan  (University  of  Liverpool):  

–  Analy0cal  and  Numerical  Models  of  Waves  in  Structured  Media  

•  P.  Deymier  (University  of  Arizona):  –  Analysis  and  design  of  phononic  crystals  and  acous0c  metamaterials.Theore0cal  and  

numerical  tools  for  Phononic  crystal  (Plane  wave  expansion  method,  FDTD,  FE).  

•  J.  Jensen  (Technical  University  of  Denmark)  –  Topology  op0miza0on,  photonic  bandgap  structures,  transient  problems,  nonlineari0es.  

•  A.  Vakakis  (University  of  Illinois  Urbana-­‐Champaign)  –  Analy0cal  techniques  for  nonlinear  periodic  systems,  strongly  nonlinear  periodic  

granular  media.  

•  F.  Romeo  (Sapienza  -­‐  Università  di  Roma):  –  Analy0cal  and  numerical  aspects  of  transfer  matrices,  maps  approach  for  con0nuous  

and  discrete  nonlinear  periodic  models.    

5/3/11   25  

M.  Ruzzene  –  Introduc0on  

Schedule  

5/3/11   26