现代机械强度理论及应用

第一篇：现代机械强度理论及应用

关于钢丝绳的疲劳断裂综述

课程：现代机械强度理论及应用姓名：学号：专业：机械工程

关于钢丝绳的疲劳断裂综述

摘要

本文主要是对国内关于钢丝绳疲劳断裂问题研究的报告论文进行综述性的的总结，主要是关于钢丝绳在材料选择，加工工艺，热处理，表面磨损，疲劳强度等方向上的国内论文进行综述性的总结归纳，以更好的了解国内对钢丝绳疲劳断裂问题的研究进展。

Abstract This paper mainly reviewed the summary of the domestic research on the problem of wire rope fatigue fracture report papers, mainly on the wire rope in the choice of materials, processing technology, heat treatment, surface wear, fatigue strength and direction of the domestic paper reviewed the summary of domestic research on the steel wire rope fatigue fracture problems the progress in understanding better

关键字 疲劳断裂、磨损、引言

钢丝绳是一种柔性空间螺旋结构钢制品，将热轧钢线材冷拉成钢丝，然后按一定规则捻制成螺旋状钢丝束，其承载力和强度较高，且具有柔软性和吸收阻尼等优点，被广泛应用于矿山机械、航空航天、机械加工、建筑施工、桥梁建设和交通通讯等领域，其安全与否直接影响到各行业的安全生产使用和经济问题。例如，电梯钢丝绳安全与否是保障电梯安全运行的重要因素，直接影响到人流的运输甚至危及生命，所以在对电梯进行安全检测时，应将电梯钢丝绳的安全检测作为核心部分;起重机用钢丝绳一般用来悬吊重物并传递动力，其安全性是人们长期以来一直关心的问题;在架空索道中，钢丝绳扮演着缆车牵引的角色，钢丝绳是否安全可靠直接关系到缆车的安全性能;矿井提升钢丝绳担负着提升煤炭、升降人员和下放材料等重要任务，是维系井下和地面的主要运输工具，在整个煤矿生产中占有非常重要的地位，其可靠性直接关系到矿井正常生产和人员生命安全，一旦出现钢丝绳断裂，轻则财产损失，重则井毁人亡，造成重大事故。

目前，国内对钢丝绳的研究已经十分丰富，研究手段也越来先进，比如，应用显微镜观察钢丝绳微观裂纹，研究其断裂源的萌生及裂纹的扩张。运用金相分析研究其表面磨损材料的组成等。下面我们就几种典型的方法进行综述。

一、国内状况

1.微动磨损对疲劳断裂的影响

张德坤等采用拉-拉疲劳试验并在显微镜下观察微动磨损导致钢丝绳磨损深度与横截面积损失对疲劳强度的影响。得到了疲劳试验中轴向应变随载荷变化保持稳定而疲劳寿命随磨损深度与横截面积损失而减小的结论。证明在微动磨损中疲劳强度与轴向应变关系不大，疲劳寿命减小的主要原因是:随着时间的增加微动磨损缺口处磨损深度不断增加应力集中现象严重，使缺口深度进一步增加并向周围扩散形成裂纹源，随着施加应力裂纹进一步扩散造成大量横截面积损失致使疲劳强度下降超过其断裂强度导致材料断裂。

2.小直径钢丝绳的轴向疲劳特征分析

王春晖等通过运用合声发射技术与显微分析手段对小直径钢丝绳进行疲劳断裂分析画出其S-N曲线。发现：以第六根钢丝断裂为准，第一根断丝与第二根断丝断丝时间间隔较长而后三根断丝时间间隔较短且后断丝所受载荷大小对其寿命影响不明显。当疲劳载荷降低到某一值时后三根钢丝几乎同时断裂而继续下降则疲劳寿命又极大增长。这说明正根钢丝绳并不存在真正的疲劳寿命极限，主要原因是钢丝绳是丝股捻织成的复杂组合体，丝与丝之间股与股之间在运作过程中存在接触应力，摩擦应力以及微动磨损导致其疲劳失效原因十分复杂。同时通过显微观察先断丝疲劳区大瞬断区小断面更光滑，这主要是由于先断区受力较小且被夹在诸丝之间不断被挤压研磨，而后断丝瞬时区较大且较为松散断裂较为迅速致使其断裂面较为粗糙。3.断裂区表面材料金相分析钢丝绳断裂原因

张德英通过宏观检验与金相分析研究发现：在同一截面断裂处磨损一侧有白亮层其为马氏体组织，而未磨损一侧处为正常索氏体组织与少量铁素体钢丝绳外表面马氏体连续而钢丝表面马氏体不连续，从而说明钢丝绳在高速运转过程中由于润滑不良而产生极大的摩擦使钢丝绳表面产生大量马氏体组织而马氏体相本身是一脆性相，耐磨性极差疲劳裂纹首先在马氏体处产生使钢丝绳断裂，所以表面马氏体极大降低了钢丝绳的疲劳强度。

4.钢丝绳的外观缺陷对其疲劳强度的影响

徐涛通过实验发现钢丝绳表面损伤，腐蚀，断丝与钢丝交错对钢丝绳疲劳强度都有影响，首先绳股松弛不均一般其疲劳强度与正常钢丝绳无异，但其会使钢丝绳更易于与滑轮发生摩擦导致其疲劳强度下降。锈蚀与表面磨损易使钢丝绳产生表面裂纹，其在拉力作用下发生应力集中现象从而使裂纹不断扩张直到钢丝绳断裂。存在断丝会使其余钢丝上的载荷加剧，而断丝处往往又是应力集中处这样又会使此处钢丝绳载荷加大断裂进而导致整个钢丝绳断裂。钢丝的交错对钢丝绳的拉伸性能影响并不明显，但是钢丝的交错处是疲劳裂纹，应力集中发生的根源，发生交错会极大减少钢丝绳的疲劳寿命。5.钢丝绳的热处理及拔拉过程对其强度的影响

黄忠渠通过分析钢丝绳热处理过程中的索氏体化是否完全发现：在热处理过程中如果淬火阶段钢丝绳索氏体化越完全其疲劳强度高，但由于钢丝绳加热温度，淬火温度及淬火速度不易控制致使钢丝绳索氏体化不完全从而极大降低了钢丝绳的强度。

同时，在钢丝绳的拔拉过程中由于拔模质量的原因致使钢丝绳在拔模孔中变形不均匀，在远离钢丝绳中心的边缘区受到过多外摩擦力与孔模影响使其变形较大硬度较高，所以当孔模表面较粗糙时，由于受力变形不均致使钢丝绳内部残余应力较大疲劳强度降低。

二、国外情况

Jeong-In Suh运用了拉丁方设计法进行吊桥钢丝绳绳的疲劳试验，以测试其应力范围，平均应力和试样长度三种参数对吊桥钢丝绳的轴向疲劳的影响，结果发现应力范围的影响结果和预期是一致的，但试样长度的影响却与预期结果相悖，而平均应力的影响则随着所选的应力范围的变化而变化。Marco Giglio等进行了在恒定载荷下直升机救援提升钢丝绳的弯曲疲劳试验，发现如果减少要钢丝绳的机械性能的损伤，必须限制测试装置的摆角在28。以下这样才不会发生疲劳损伤，而在较大摆角的情况下，钢丝绳内部会经常断丝，Paton等开展了六股绳与螺旋钢丝绳的拉一拉疲劳行为研究，来检测实验过程中钢丝绳强度和刚度度的变化，得出了刚度和强度之间的线性关系，并且确定了剩余疲劳强度和疲劳周期的关系，并且确定了六股绳和螺旋绳新的疲劳下界为其损失10%的强度，它有益于制定钢丝绳报废标准 展望

现在关于钢丝绳的疲劳断裂问题国内国外多是集中在其磨损裂纹，材料性质，加工工艺等方面，而对钢丝绳具体的受力分析，及每条钢丝的受力状态的分析很少，这主要是应为钢丝绳及其每条钢丝应为加工工艺，捻股及工作环境不同使其受力很难分析，今后可能会在钢丝绳钢丝受力分析上及运用能量法等方式对其疲劳断裂的研究。

参考文献：

钢丝的微动磨损及其对疲劳断裂行为的影响研究_张德坤

徐涛，徐臻，黄志伟，等.钢丝绳外观缺陷对其力学性能影响的研究 张德英，单联敏.钢丝绳使用中断丝原因分析

影响钢丝绳疲劳断裂的因素及提高疲劳寿命的技术措施_黄忠渠 小直径钢丝绳的轴向疲劳断裂特征分析_王春晖

第二篇：浅析现代财务会计理论及发展趋势

浅析现代财务会计理论及发展趋势

摘要：在21世纪中呈现在我们面前的将是一个国际化、金融化和知识化的现代市场经济；将出现以知识经济代替传统的农业经济、工业经济的崭新的经济形态。与传统经济相适应的财务会计在知识经济时代，其目标、信息质量、核算重心以及无形资产产权理论等都会受到一定的影响，知识经济环境下财务会计的发展前景更为看好。本文旨在通过讨论知识经济时代会计理论的新转变，对知识经济时代财务会计实际应用发展前景进行展望。

关键词：知识经济财务会计财经 理论 应用 发展

所谓新经济，就是以经济全球化和信息革命为背景、以互联网的应用和电子商务为特征、以知识和人才为依托、以进一步提高整个经济的运行效率为目标、以不断创新为保证的经济形态。这种区别于传统农业经济和工业经济的新经济的到来，必将对传统财务会计的理论与实务提出挑战，并可能诱发新的会计革命。

1现代会计理论

1.1对会计目标。会计目标主要明确为什么要提供会计信息，向谁提供会计信息，提供哪些会计信息等问题，会计目标是会计理论的基础，现在财务会计把会计信息使用者作为一个整体，提供一种通用的会计报表。在新经济时代，会计信息需求者与作为会计信息提供者的企业之间可以利用互联网及时双向交流；企业在了解会计信息需求者的决策模型后，可以针对其需要，向其提供专门的财务报告。因此在新经济时代，可能发展成提供适用于不同决策模型的专用财务报告。

1.2对会计基本前提。现行财务会计是建立在会计主体、持续经营、会计分期、货币计量四项基本前提上，新经济的出现对这四项基本前提提出了挑战。

1.2.1关于会计主体。在新经济时代，由于经济的日益全球化，现代信息处理技术和互联网技术的急速发展，企业可以借助互联网进行不分国界的联合或分组，从而导致会计主体具有可变性，这就使得对会计主体认定产生困难，使会计核算的空间范围处于一种模糊状态。

1.2.2关于持续经营。在新经济时代，企业可以根据实际需要借助互联网相互联合起来来完成一个项目，当项目完成之后，企业就会立即分散。这种临时性的网络企业在新经济时代将十分普遍，使企业持续经营的前提对它们不再适用。

1.2.3关于会计分期。会计分期的目的是为了及时提供会计信息，满足企业内部和外部决策的需要。在新经济时代，即时的通讯手段带来了即时的操作和调控，企业内外部会计信息需求者可以在互联网上动态地得到企业实时的财务及非财务信息。在这种情况下，会计分期已无存在的必要。

1.2.4关于货币计量。在新经济时代，连接各国的信息网络使全球形成统一的大市场，经济活动的国内与国外的界限变得模糊起来。同时，国际贸易剧增，市值变动大。这些都对货币计量前提提出了挑战。在新经济时代，完全可能出现全球一致的电子货币计量单位，用以准确反映企业的经营情况。

1.3对会计要素。现行财务会计把会计要素划分成反映财务状况的会计要素和反映经营成果的会计要素。在新经济时代，无形资产是企业生存的资产，创新是新经济的核心，人是保证创新的的决定性因素，知识作为一种动态的生产要素和经济资源显得日益重要。

1.4对会计权益理论。传统会计的平衡公式“资产＝负债＋业主（股东）权益”中，等式右边所体现的只是企业财务资本所有者的权益，而未体现人力资本所有者的权益。在新经济时代，知识、信息与创新能力对企业起着最重要的作用，企业应是“一个人力资本与非人力资本的特别合约”。面对新经济时代，必须建立一种新的会计权益理论。

2知识经济时代会计理论的新转变由于知识经济带来会计环境的变化，因而对环境所决定的会计理论也将发生巨大变化。

2.1关于持续经营持续经营是假设一个企业在可预见的将来会持续经营下去。由于知识经济时代会计的多变性，使得人们对一个主体是否能持续经营的辨别上难以分清，再加上跨行业的强强联合，随着市场要求不断变换联合对象和范围等等，使企业持续经营的假设变得有名无实。

2.2关于会计分期该假设满足不了信息使用者随时利用会计信息作出及时决策的需要。在知识经济时代，信息的充分及时供应成为决策制胜的关键。有人提出，将企业各种原始数据直接在网络上提供，由使用者各取所需、即时利用。这样，会计分期的假设是否还有存在的意义?

2.3关于货币计量货币计量包含了币值不变的假设，但在知识经济时代，由于产品知识含量高，更新换代快，价值变动的频率和幅度极大，一种商品会很快被另一种性能更佳、质量更好的商品所代替，而且贸易壁垒进一步打破，国际金融一体化，这些都会对币值变化产生影响。

3知识经济时代财务会计发展

3.1会计基表假设得以创新知识经济对传统的会计基本假设提出了严峻挑战。对于会计主体假设，由于企业的界限变得模糊起来，因而用“经济利益相关的联合体”来定义比较确切。持续经营假设，可以重新表述为“经济利益相关的联合体，从开始组建到实现其经营目标为止为其存续期间”，对于会计分期假设，原来的涵义仍将存在，但对于一些完成交易后即行解散的临时性组织而言。可以不对其进行分期，而直接把交易期作为报表报告期；货币计量假设，将发展为货币计量与非货币计量并重。

3.2会计人员知识结构多元化着会计信息化时代的到来。会计人员必须懂得信息技术、网络技术、软件开发与设计、软件操作等一系列新的技能和知识随着

会计发展的日益国际化，会计人员不仅要掌握国际会计理论与方法，而且还要有较高的外语水平。随着会计管理在企业管理中的地位日益提高，会计管理职能的充分发挥，会计人员不仅要具备有关预测、决策的基本知识和方法，而且应具有较强的逻辑推理和分析判断能力。因此，知识经济时代的会计人员将是兼容科技与管理知识的、具有多元知识结构和创新思维的高智能复合型会计人员。

3.3网络会计网络会计是建立在网络环境基础上的会计信息系统。作为网络会计信息系统支持的网络环境包括两个方面：一方面，国际互联网使企业同外部进行信息交流与互享；另一方面，它根植于国际互联网以上的企业内部网络结构，它实现了企业内部各个部门的信息交流与互享。由于经济组织内网络化涉及生产、财务、销售等所有部门，从而使每一笔经济业务的发生能够立刻反映为经过处理的会计信息。同时，对于会计信息使用者来说，也可随时通过上网访问企业的主页，获得企业最新的财务信息。

3.4强化理财理念由树立以人为本的理财观念。知识经济是以知识为基础的经济，而知识的首要载体是人，即知识要有人掌握、由人创造、由人发展。人才是发展知识经济的根本。相对于物资资本，人力资本更具有增值性。只有树立“以人为本”的思想，将各项活动“人格化”，建立责权利相结合的企业运行机制，强化对人的激励和约束，才能充分调动人的积极性、主动性和创造性，从而实现财务管理目标。在知识经济时代，由于各种因素的影响，导致使用信息的风险加大。因此，经济、财务管理人员必须强化风险理财观念。树立正确的风险观，科学地预测各种不确定性因素所产生的结果，防患于未然。目前，数字化、信息化、网络化已成为经济发展的主要特征，信息的获取更是企业成败的关键，因此，经济、财务管理人员必须强化信息理财观念。只有充分掌握现代网络技术，牢固树立信息理财观念，全面、准确、迅速、有效地搜集、分析和利用信息，才能在竞争中居于不败之地。总之，新经济会给财务会计带来一系列的影响和挑战。有挑战，才有创新；有创新，才有发展。我们相信，随着对新经济时代会计领域出现的新问题的研究，我国财务会计理论将会得到较大的发展。

参考文献

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［3］谢琨．会计实践教学的思考［J］．会计之友，2008（7）．

［4］立体化全方位多角度重实效构建实践教学体系培养高素质会计人才目的［J］．西南财大学报，2009（9）．

［5］袁葵芳．会计学专业层次性实践教学体系的探索［J］．实验室研究与探索，2007（4）．

第三篇：水工结构抗灾理论及应用

浅谈水利抗灾减灾

[摘 要]: 本文根据水利工程安全工作的长期实践和研究，论述了水利抗灾减灾的重要性；论述了水利安全工作以人为本，加强管理、开展非工程措施工作，打造安全可持续工程的做法及重大意义。最后，阐述了新世纪中国的水利抗灾减灾工作应立足于社会、经 济、环境的协调和可持续发展。

[关键词]：水利工程；抗灾减灾；可持续发展

1.前言

水利是现代农业建设不可或缺的首要条件，足经济社会发展不可替代的基础支撑，是生态环境改善不可分割的保障系统，具有很强的公益性、基础性、战略性。加快水利改革发展不仅事关农业农村发展，而且事关经济社会发展全局；不仅关系到防洪安全、供水安全、粮食安全，而且关系到经济安全、生态安全、国家安全水利具有很强的公益性质，从一定意义上说是一种公共产品，不仅关系到经济社会发展，而且关系到人民群众的生产生活和生命安全。因此，在大力加强水利建设的过程中，必须采取综合措施，提高水利的防灾减灾能力，确保广大人民群众的生命财产安全。

2.我国水利抗灾进程

新中国成立以来，人民政府领导全国人民进行了大规模的水利水电建设，取得了举世瞩目的伟大成就。截止1999年底，全国累计建成水库大坝8.6万多座,3其数量居世界首位；因此而形成的水库总库容达4 6 0 0亿m,约为全国河川总

径流量的17％，初步控制了大江大河的常遇洪水;并形成了5 6 0 0多亿m3的年供水能力，建成了水电装机7927万k W。水利水电建设为保障国家的经济发展和社会进步发挥了重要的作用。但是，大坝是一把双刃剑。一旦大坝失事溃决，一百多万方，一千多万方，甚至数亿方库水在几小时，甚至几十分钟内，奔腾而下，形成数米高，甚至几十米高的水墙席卷下游，所到之处，万物荡然无剩，不仅给 水电厂带来巨大损失，而且给下游人民生命财产、生存及发展环境造成毁灭性的灾害。1963年8月上旬，当海河出现特大洪水时，水库大坝冲毁319座，其中中型水库5座，死亡人数达 1464人，财产损失约60亿元。1 975年8月，淮河发生大洪水，溃坝22座，其中包括板桥、石漫滩两座大型水库溃坝，造成二万多人死亡，京广铁路中断48d，财产损失约100亿元，生态环境也遭到严重破坏。据统计，我国至今约3000座坝垮坝失事，溃坝率达 3 ．5 ％，高于世界平均溃坝率。因此，大坝急需加强管理。1985年11月，水利电力部批文成立了水电站大坝安全监察中心。对部属水电站(国务院体制改革后，国家经贸委授权对全 国电力系统)大坝安全工作进行规划、监督、指导和服务。“ 安全第一，预防为主”是大坝安全管理的基本方针。根据这一方针，水利部以人为本，做了大量非工程措施的工作，并取得了较好的效益。

3．水利抗灾减灾的措施

3.1积极运用传感技术和传感网预防洪水、滑坡、泥石流等灾害

随着信息网络技术应用的不断深人，集信息获取、数据传输与处理、智能决策于一 身的新兴传感技术和传感网，在防灾减灾中得到了日益广泛的应用。发达同家利用传感 网进行防灾减灾起步早，很多同家已经形成了准确获取灾害信息、及时发布灾害信息和应急处置联动的快速反应机制，取得了显著成果。比如，在洪水监测预警方面，日本已经建立了高密度的地面自动监测网站。在200 km左右的小流域设置水文观测站点就达4 0多个，对及时发现小范围洪水灾害并及时通知人员避险发挥 了重要作用。美国、加拿大、澳大利亚等幅员辽阔、人口密度较低的同家则采用适当密度的地面自动监测站网和高频次卫星对 地观测相结合的模式进行水文监测。在滑坡、泥石流监测预警方面，日本建立了灾害多发地区泥石流预警系统，通过上游泥石流形成区降雨资料的统计分析和比较判别，确定临界雨量报警线，并自动发出报警信号。美国1985年就在旧金山湾地区建立了滑坡泥石流预警系统，运川地面伸缩仪、倾斜仪、地声监测仪、地下水压力传感器和雨量计等进行实时监测。

我国是世界上自然灾害最严重的国家之一，近年来频繁发生的洪水、泥石流、滑坡等自然灾害给人民群众生命财产造成重大损火。由于资金、技术等原因，多年来，我预防洪水、泥石流、滑坡等自然灾害方面一直注重传统的“群测群防 ”。以人丁巡视巡查为主，虽然也取得了很大成效，但由于技术手段比较落后，在夜晚或恶劣大气时很难取得准确的观测结果，从而在灾害险情出现时及时通知灾区居民的难度较大。极易错失预警时机，巡视巡查人员的自身安全也受到威胁。近年，我同积极运用传感网防灾减灾,但从总体上看，与发达同家仍有较大差距，存在一些有待解决的问题。比如，在水情监测方面我国水文站网大部分分布住较大河流和大型水库，而中小河流站点极少，特别是在洪灾害多发区，捕捉突发性暴雨山洪第一于实测信息的能力史差。这种状况难以适应日益严峻的防灾减灾形势。有关研究表明，防灾减灾传感网建设所需的资金投入远远小于由于灾害预警预报不及时所造成的财产损失和救灾重建费用。因此、在“ 十二五” 期间，应制定和完善有关政策措施，尽快推广普及传感技术和传感网在预防洪水和滑坡、泥石流等灾害方面的应用。应在科学规划、合力布局、改造原有网站和建设新网站齐头并进的基础上，增加传感网建设投入，简化项目审批程序，加快建设进度，推动动我科技防灾减 灾能力实现跨越式提升。同时，应完善有关法律法规。明确地方政府相关职责，增加人力、技术、管理等方面专项经费，以保障传感观测站点的日常维护和传感网的运行质量。

3.2开展广泛而持久的安全教育

依法治坝、科学防灾，这是完全不同于以往传统的管坝思路和管坝方式。为了使依法治坝、科学防灾深入人心，就需要对大坝运行管理人员进行广泛而持久的大坝安全教育。国家电力公司历来重视大坝安全教育。坚持每年汛前召开水电站防汛和大坝安全工作会议，宣传防汛和大坝安全工作意义，总结和交流上一年防汛经验，分析当前防汛形势，落实责任制，落实防汛任务和要求。大坝安全培训是大坝安全教育的重要形式，根据我国电力系统现阶段 的管理格局，大坝安全培训采用三级培训。

采用请进来和走出去的办法，加强了与国外的技术交流，学习国外先进管理技术。1 9 9 2年，在杭州举办了大坝安全监测技术国际学术会议，1999年，又在三峡举办了大坝安全监测技术国际学术会议。为了普及和交流大坝安全科学

知识，成立大坝安全监测信息网。现有教育、科研、设计、施工、仪器厂家、管理部门、运行单位等近2 0 0家参加。每年开展活动，进行多学科交流 ；成立水力发电工程学会下的大坝安全管理专业委员会和大坝安 全监测专业委员会，开展科学普及和信息交流工作。

3.3持续不断地开展安全检查

安全检查是及时发现大坝安全隐患的一项重要手段，与仪器监测相辅相成。通过安全检查可以及时发现大坝一些异常现象，如裂缝产生，新增渗漏点，混凝土冲刷和冻融，坝基析出物，局部变形等等，这些缺陷用仪器监测常常反映不出来；并且，当前仪器是采用单点监测的方法，很难做到监测部位恰恰是大坝出事地点，如美国1971年提堂坝失事，当时在右岸的一个窄断层 突然发生管涌，不到6h就造成垮坝，而监测仪器对此却没有记录。据捷克斯洛伐克和法国统计大坝7 0％的老化现象和异常现象是由有经验的技术人员在现场检查 中发观的。我国柘溪和梅山大坝出现险情，也是在现场检查中发现的。因此，只有仪器监测是不够的，必须同时开展安全检查。根据安全检查的不同深度，大坝安全检查分为日常巡查，详查，定期检查和特种检查四种。

3.4强化法制建设推行依法治坝

大坝安全管理工作千头万绪，抓制度、抓法治是根本。国家提出实行依法治国，建立社全主义法治国家，这一治国方略落实到大坝安全管理上，就是依法治坝。因此，“大坝中心 ” 在边组建的情况下，就组织力量，代部编制了《 水电站大坝安全管理暂行办法》，经过大量工作，1987年9月由水利部颁布试行，这是我国第一部专门性的大坝安全管理法规。《 水电站大坝安全管理暂行办法》对大坝安全管理内容、工作程序、要求都做了规定，特别是明确了防灾减灾主体，明确了生态市场经济主体，明确了大坝安全责任制。根据“谁管的水电站，谁承担大坝安全责任” 的原则，规定了电力系统各级管理机构在大坝安全管理中的责任，规定了勘测、设计、施工、监理等参加水电站大坝建设单位对大坝安全应负的责任，也规定了政府 的责任。它是中国现阶段工程建设的管理体制和大坝安全工作机制的反映。当大坝安全责任 制在行政法规上作出规定后，使一级管一级，一级抓一级更具确定性、权威性和严肃性，这非常有利于大坝安全管理工作的开展。

3.5实施可持续发展战略，进一步做好水利安全工作

新世纪中国的水利建设将立足于社会、经济、环境的协调和可持续发展，这也是时代向大坝安全管理提出的要求。中国是世界上最大的发展中国家，为了确保中国人民生存和发展所需要的水资源，保护和改善人民居住环境，提供优质的电力，管好大坝，责无旁贷。实施可持续发展战略，安全工作是重要 内容之一。

4.结语

水利工程安全工作至关重要，它涉及到千百万人民生命财产的安全、国民经济的发展和社会的稳定，是全社会所关心的公共安全问题，责任重于泰山。因此，做好水利的防灾减灾工作是必要与刻不容缓的。水利防灾减灾工作取得了很多成功，也面临很多困难和挑战，等待着我们去解决。水利防灾减灾能力的提高是我们持续面临的一个问题，我们在吸收引进消化创新方面已经取得了很大成效，更好的服务于我国的水利事业又不断鞭策着我们为水安全做出我们更大的努力。

［参考文献］

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[7] 源P．加拿大魁北克水电公司的大坝风险管理.水利水电快报，2004，25(6)： 31 —32 ．

[8] 美国大坝安全联合委员会．联邦大坝安全导则—大坝业主紧急行动计划． 1 9 9 8 ．

第四篇：《复合地基理论及工程应用》读后感

《复合地基理论及工程应用》第二版，为龚晓南著，中国建筑工业出版社出版发行。

《复合地基理论及工程应用(第2版)》全面地介绍了复合地基理论和工程实践方面的研究成果，在《复合地基理论及工程应用》(第一版)的基础上对复合地基理论框架作了进一步完善，较系统地介绍了复合地基理论和实践的新发展。

全书共16章：绪论，土和复合土的基本性状，复合地基荷载传递机理和位移场特点，复合地基的形成条件，复合地基在基础工程中的地位，复合地基常用形式及选用原则，桩体复合地基承载力，水平向增强体复合地基承载力，复合地基沉降计算，基础刚度对复合地基性状的影响，垫层对复合地基性状的影响，复合地基振动反应与地震响应，复合地基和上部结构共同作用分析，复合地基优化设计和按沉降控制设计，复合地基工程应用及实例，以及复合地基发展展望。

读完本书，我对复合地基有了进一步的了解和理解，目前在我国复合地基浅基础和桩基础，已经成为常用的三种基础形式。复合地基在建筑工程、市政工程、道路工程以及堤坝工程中得到广泛应用。复合地基已经不是陌生的词汇，但对复合地基，无论是学术界还是说工程界至今尚无统一的认识，复合地基是一个新概念。

复合地基的形式、组成复合地基增强体的材料、复合地基增强体的施工方法均对负荷地基的效用产生影响。复合地基的效用主要有桩体作用、垫层作用、挤密作用、加速固结作用、加筋作用。

了解了土和复合土的基本性状，让我明明白了地基加固区的组成，对形成复合地基的常用增强体材料也有了进一步的理解，知道了复合地基的荷载传递机理以及复合地基的形成条件，学习了复合地基桩体承载力以及水平向增强体复合地基承载力、复合地基沉降计算。

通过复合地基工程应用及实例学习，知道了复合地基有初期的局限于采用散体材料加固软土地基（碎石桩复合地基）发展到各类柔性桩复合地基、刚性桩复合地基以及水平向复合地基（水泥土桩复合地基、低强度桩复合地基、桩网复合地基、钢筋混凝土桩复合地基、加筋土地基等），知道了各类复合地基的适用范围和优缺点。

复合地基概念源自国外，但是近年来在我国发展很快。复合地基理论与工程应用发展与我国国情息息相关，我国深厚软弱地基分布广、种类多、数量大，自改革开放以来土木建设规模大、发展快，我国又是发展中国家，建设资金短缺，这些给复合地基理论与工程应用的发展提供了很好的机遇，可以相信在未来的几年，我国复合地基和工程实践两个方面都将有长足的发展，取得更大的进步，复合地基的理论也会得到进一步的完善。

第五篇：论文翻译——超表面理论及应用

超表面理论及应用-超材料的平面化

An Overview of the Theory and Applications of Metasurfaces: The Two-Dimensional Equivalents of Metamaterials Christopher L.Holloway1, Edward F.Kuester2, Joshua A.Gordon1, John O’Hara3, Jim Booth1, and David R.Smith4

三碗

译

摘要

超材料通常由按一定规律排布的散射体或者通孔构成，由此来获得一定的性能指标。这些期望的特性通常是天然材料所不具备的，比如负折射率和近零折射率等。在过去的十年里，超材料从理论概念走到了市场应用。3D超材料也可以由二维表面来代替，也就是超表面，它是由很多小散射体或者孔组成的平面结构，在很多应用中，超表面可以达到超材料的效果。超表面在占据的物理空间上比3D超材料有着优势，由此，超表面可以提供低耗能结构。文章中将讨论到超表面特性的理论基础和它们不同的应用。我们也将可以看出超表面和传统的频率选择表面的区别。

在电磁领域超表面有着很广泛的应用（从微波到可见光波段），包括智能控制表面、小型化的谐振腔、新型波导结构、角独立表面、吸收器、生物分子设备、THz调制和灵敏频率调节材料等等。文中综述了近几年这种材料或者表面的发展，并让我们更加接近一百年前拉姆和Pocklington或者之后的Mandel和Veselago所提出的令人惊讶的观点。

引言

最近这些年，超材料这方面一直引领着材料的潮流。超材料是一种新的人工合成材料来得到自然材料所不具备的一些特性。在电磁背景中，这方面最早的实例就是人工电介质。之后，我们将会看到和经典结构完全不同的超材料和超表面，比如光子能带隙结构（PBG）、频率选择表面（FSS）。双负指数（DNG）超材料是一种盛行的超材料，也叫作负指数材料（NIM）、左手材料等（LHM）。这种材料的特性是在给定的频率带宽内其有效介电常数和磁导率是负的。另一种特性是近零折射率。在这种材料中，其介电常数和磁导率都被设计成接近于零。拥有这些特性的材料可以应用在很宽的频率范围（微波到可见光频段），并且其应用也很广泛，如隐身、低反射材料、新型结构、天线、电子调谐、超透镜和谐振器等。

现在的超材料研究来源于对Bexelago理论的仿真，或者是基于之后Pendry、Smith等人所实现的超材料结构。然而，这个领域中很多研究者并没有认识到负折射率超材料的概念和它们令人吃惊的性能可以回溯至那么早的时间段。实际上，这种材料的理论可以回推到一个世纪以前。早在1967年，一些学者已经对超材料做出了研究，而更早的Sivukhin在1957年对超材料的特性做了简单的描述。Malyuzhinets和Silin都相信L.I.Mandel在更早的时间里做过超材料研究。Mandel提到关于Lamb的1904年的报纸，称Lamb或许是这一领域的第一人。Lamb提出了反波的存在性（在相反方向上拥有相位和群速度的波，他的实例包含机械系统而不是电磁波）。Schuster在他1904年的可见光书中简短的谈及了Lamb的工作，并提出了在可见光介质中或许也有着反波的特性。1905年，Pocklington展示在某种情况下静止的自行车链条可以产生反波，加上突然的激励可以产生一种拥有远离波源的群速度和朝向波源的相速度。

超材料通常是用规律排列的小散射体构成的结构，以此来获得期望的性能。超材料可以被扩展成二维分布的电子散射体图1.图1a阐述一种普遍的散射体排布，而图1b-1d展示更多的特殊例子。图1b展示一种金属散射体排布，它可以获得与经典开口环结构所产生的磁响应类似的电响应。图1c展示一种球粒阵列（基于此引入了3D超材料，来源于早期Lewin的工作，但更早的是100年前Gans和Happel的预测）。图1d为陶立方排布。超材料的这种表面结构最初命名为超薄膜，表示一个表面上分布着小的散射体。值得一提的是每个散射体的都是很薄的（甚至比晶格常数小），可以有任意的形状，可以有亚波长尺度。与超材料类似，超薄膜也可以通过其散射体的排布来有其特有的电磁特性。超薄膜又称超表面或单层超材料。在1.1和1.2部分我们将简化其称呼。

对于很多应用，超表面可以用于放置超材料。超表面相对于3D超材料来说有着占有更小物理空间的优势，由此，超表面可以提供更低能耗的结构。近几年，超表面在从微波到可见光波段的应用取得了巨大的成就。除了可用在上面所说的超材料的应用外，超表面还可以实现智能表面控制、小型化谐振腔、新型波导结构、简单而宽角度吸收器、阻抗匹配表面和生物分子器件。下面也将会更详细的谈到其中的一些应用。

1.1 超表面与频率选择表面

下面说一说超材料（MM）和传统光子带隙(PBG)或电磁带隙(EBG)结构之间的区别，另外超材料和传统频率选择表面（FSS）的区别。第一种超材料可以使用超表面来发展创新。对于超材料来说，能熟知周期材料在不同频率或者不同尺寸的电磁响应非常重要。这种复合材料可以分成三种完全不同的部分（图2）。对于3D超材料来说，第一部分是准静态部分。这就暗含低频的意思（亚波长段频率）。这种散射体将会具有诱导的或者永久的偶极柜，这也是经典材料的性质。另外，这种散射体可以通过改变形状或者位置来获得想要性质的人工复合材料。在这一部分，描述使用经典的材料混合来得到目标特性（介电常数、磁导率）

当波长可以与结构周期相近或者比周期小时，会有特别的响应发生，见图2的第三部分。在这种频率下，存在一种更加复杂的场，这就需要用更加精密的分析技术（全波方法）。传统的分析方法是Floquet-Bloch理论，其中的场扩展到有各种不同方向的平面波。当波长接近周期时，就需要考虑到更高要求的Floquet-Bloch理论。这种高要求模型就会通过复合材料干扰基波的传播，在这种频率范围中我们称复合材料为光子带隙或者电磁带隙材料。在某种频率范围，光子带隙和电磁带隙材料会阻碍到EM波的传播，这种频率带就称为阻带。别的频率中，这种材料的通过率很高，这种频率就为通带。布拉格散射效应就是与这种频率有联系，它是很多实际应用的基础。

图2的第二部分也是处在亚波长结构，不过期单元散射体可以达到共振。这就实现了另一种人工材料（MM），实现了自然材料所没有的特性（如双负或近零指数材料）。第二部分，那些共振体是其成为超材料的原因所在。我们可以通过有效介电常数和磁导率来标明超材料的特性。

二维阵列（超表面）也有相似的特性。对于二维格子阵列来说，第一部分复合材料属于经典薄膜材料，第三部分是周期性的共鸣器。另一方面讲，当我们谈及超表面时，就是在说第二部分的共鸣器散射体而不是周期性结构。普通的频率选择表面有时会是运行在这种体制下，但这种类型的操作和第三部分的并没有明确的标出。

值得注意的是图2所示的第二部分并不常见。这种散射体需要特别的设。例如，如果是 图7中球形粒子的特性或者半径非常小，或者是散射体的形状、尺寸没有做合适的选择，散射体的共振将会趋向于Floquet-Bloch模型，就实现不了双负材料。在Floquet-Bloch模型中散射体共振将会被吸收，这种介质模型就不能充分描述复合材料。总的来说，图2中第一、第二部分会出现在某种复合材料介质的情况中。第一部分（经典混合理论），其有效特性不依赖频率。第二部分（散射体共振），其材料具有频率依赖特性。在这部分中，可以实现3D双负指数材料和别的共振器。最后一部分中，电磁场和周期材料的相互作用非常复杂。我们不再将复合材料称为有效介质。当波长接近结构周期时，更高要求的Floquet-Bloch模型需要考虑进去，超材料和超表面就是这样。

1.2 超表面类型

超表面结构就是二维的周期性亚波长结构。在一般的研究中，我们将超表面列为两类。一种是有着陶瓷拓扑结构（一种绝缘散射体）图1a所示，称其为超薄膜，有着很多应用。另一种是渔网结构（图3），称为元幕。这些材料是由在阻抗表面周期排列的孔制成。别的种类超表面基于这两者之间。例如，平行导线光栅在垂直导线方向表现出超薄膜的特性，而在沿轴方向就表现为元幕性质。

1.3超表面模型

模拟超材料的传统的、最方便的方法是有效介质理论。在这种方法中，某些类型的平均是用在超材料周期单元结构所产生的电磁场上面。从这些平均值中，可以确定超材料的有效介电常数和磁导率（以及折射率）。值得一提的是，只有当波长相对于晶格常数足够大时候平均才是有效的。对于场的周期单元平均定义有效材料性能是正确的方法（那种匀质平均的类型），许多研究人员已经在实践中使用根据一些计算出厚度的超材料样品来得到期望的反射和透射系数。尼科尔森-罗斯-韦尔（NRW）的方法或它的变形，可以用于获取超材料的有效材料性能。需要注意的是，当使用范围是负指数材料时，标准的NRW方法必须进行修正。典型地，一个平方根的符号的选择是由明确的通过确保在传播方向正功率溢流。在某些情况下，还必须考虑到样品的边界附近局部影响。如果使用得当，有效介质的方法是用于表征超材料的很合适的方法。

尝试使用类似的超表面参数分析很少成功。一些以前的超表面研究把其当做是单层超材料薄膜，这种模型的材料特性是任意的引入一个非零厚度参数来获得的。这有一些人为物理结构参数的问题：这些超表面的参数特征是错误的。传统计算方法的展开可以给我们一些提示，当以样品尺寸建模时，必须考虑样品边界效应，就像两个不同切面上的效应一样。

为了说明其中难点，我们使用图1中对等的厚度为d（图4）的材料层来代替超表面。其有效特性是由上文中HRW方法所得出。问题是上述所得有效特性对于超表面来说并不唯一，虽然散射体的几何特性和晶格常数一定，但厚度d不确定。实际上，d在合理限制中可以任意取值。由于d不是唯一确定的，所以由其而得的超表面特性也不是唯一的。因此，与报道中相反的是，把超表面看成等效介质所得的有效特性都是不合适的并且导致了错误的阐释。Smith等人坚持这个观点，认为‘εd’很可能是常量。在文献[101]中介绍了易受影响的表面和有效特性直接的关系，认为对于超表面来说，不能定义独立于d的ε和μ。由此说明ε和μ是d的函数，并且唯一确定。这种结果就是说d、ε和μ是任取的。也就是我们如果假定厚度也为常量就可以使用这种有效特性。但对于不同的厚度来说，这种有效特性并不适用，非平面形状也一样。如果我们想在一定厚度基础上使用这种有效特性的话，那是没问题的。从另一方面说，如何改变了厚度而继续使用之前的特性，那就是错误的了。

图5和图6强调了这一点。图5展示了球粒阵列中通过这种方法使用不同的有效厚度d所得的介电常数。图6展示不同厚度下的负折射率。图5和图6中可以看出有效特性是厚度

d的函数，说明有效特性并不是超表面所固有的本质特性。同样我们也应该指出通过这种方法所获得的超薄膜或超表面的有效特性并不能展示其物理特性。例如，因果颠倒或者负材料呈现出大的介电常数或磁导率（在文中基于时间t假设的ejwt的正虚部）。

在文献[100]中，论证了超薄膜表面的唯一性，由此，也定义了超表面特性的唯一性。从物理上讲，超表面是一种极小的板：当电磁波与其作用是会产生相移或者是振幅的改变。这种超表面最好的定义是通过普通的板过渡理论（GSTCs），是对比于使用在超材料上的有效介质描述来说的。这种方法使用在超表面与电磁场交互作用时候，且符合广义等效面转换理论。

对于超薄膜来说，在文献[23]中所述广义等效面转换条件与超表面的两个面上的电磁场有关（见图1a）：

式中av代表超表面两边的平均场，t为到z的距离，是单位矢量。ES和MS分别是两

....表面的电场和磁场。这有着计量单元，并且与散射体的电磁极化密度相关。当散射体有缺失 这种性质会消失并且方程（1）中E和H的非相关条件将会减少。简便起见，我们认定散射体和晶格对称，则表面并失如下：

在这篇文章和文献[101]中，我们对于MS有一个约定，在H场中右边项前加一个负号，而E场右边项加正号（见方程1）。这种符号约定与文献[100]中不一样。我们选这种约定是因为当表面磁密度与H在同一方向时Re(MS)为正，这也是经典磁材料特性定义的组成部分。这种广义等效面转换条件可以应用在更多的方面，如不对称性、不均材质、以及双各向异性表面，而且这方面的理论已经有了发展。值得注意的是方程1的约定条件仅适用于超薄膜。具有不同结构的超表面将需要其他的理论条件。例如，周期性隔离孔组成的元幕有着零厚度理想导体，这与广义等效面转换理论相悖，这可以写成：

其中E场和B场在元幕中是连续的。这里，ES和MS分别是元幕的电特性和磁特性，并且，与超薄膜表面相似，它们有着长度。当孔不存在时，就只剩了理想导体平面，那些由孔引起的电、磁特性将会消失，并且方程3中电场E的切量会减小。元幕的经典边界条件还没有定义出，还需要补间断的工作来发展。像导线光栅这种拥有超薄膜和元幕两种特性的超材料的边界条件也一样需要发展（在[102][103]中广义等效面转换条件应用在了薄导线光栅上）。

广义等效面转换条件同样可以用于阻抗边界条件。对于平面波电磁的变量，它是平行于超薄膜的

....我们可以利用麦克斯韦方程将方程1写成：

其中表面转移导纳和转移阻抗由下式给出：

这种边界条件也可以等效成传输线电路。

这种广义边界条件可以让超表面可以有一个有着无限薄等效表面的模型。表面几何的细节包含在表面特性的边界条件中。应用在广义等效面转换条件中的场是一种宏观场，相比于散射体、孔和晶格来说，其并不具备长度，但当波长在介质周围是它就有着更大的值。值得注意的是，这种广义条件由于方程1和3中表面梯度的影响而存在着误差。如果表面特性可以使用矢量波（沿波的传播方向）来计算的话，这种边界条件的计算将更加精确。

如果不需要空间场变量的精细的结构的话，这种广义等效面转换条件和麦克斯韦方程一样都需要分析场与超表面的相互作用。这种边界条件中的表面特性是位移确定的，并且可以作为描述超表面的物理量。基于这种模型的检索技术将在下部分来描述。

1.4 超表面的特性

如上部分所述，超表面的有效特性和磁导率（与负折射率相同）并不唯一确定。这一部分我们将综述一种超薄膜的唯一的特性，主要是基于反演其反射和传输系数来获得。超薄膜的反射（R）和传输(T)系数不管是对于TE或者是TM波（图7）都来源于文献[24]。

对于TE波来说：

对TM波来说：

其中k0是真空波矢。这种反射和传输系数可以用于有着足够对称性反射体的超薄膜上。同样的方法也可以用于更多非对称不规则表面特性，如元幕或更多普通的超表面。这些理论尚有待发展。

一旦确定了表面的反射和传输系数，表面特性就确定了。在这个实例中，每个偏振波都需要两种R和T系数。对于TE波，其三个未知特性的推导如下：

其中R(0)和T(0)是正入射波的反射和传输系数，R(θ)和T(θ)是以θ角入射波的反射和传输系数。而对于TM极化波，其未知特性的推导如下：

在文献[100]中的符号错误已经在上式中修正。同样文献[101]也做出了修正。

这种方法既可以从理论上又可以从实验方面确定R和T的值。而对于普通入射测量技术来说，很难分辨其入射和反射成分，如果入射角不为零则结果会好很多，祥见文献[100]。有趣的是，当推断超材料模型的有效特性时，这种反演方法来求解超薄膜特性既不用特定的取符号的平方根，也不需要假定表面层的厚度。

为了确认超薄膜这种反演的特性，我们引入一种球粒型超薄膜如图1c。其中a=10mm, p=25,59mm, εr=2, μr=900, tanδ=0.04。这种结构的极化度是可解析的，因此其表面特性可以根据文献[100]给出的方程计算。如上所说，可以通过设置不同的R,T来确定未知量，文献[100]给出了一些方法。

Figure 8.The surface susceptibilities for a metafilm composed of spherical particles.图8所示ES和ES的实部和虚部。其结果是通过30入射角的数值仿真所得的R和T。

0zzyy超薄膜模型是球粒阵列，有着对称传输阵列（）。同样图中也给出了文献[100]分析结果。通过对比，这种反演方法所得结果和方程计算结果一样。

上述例子和文献[100]都说明了反演方法的正确性。更重要的是，这种计算结果说明了超薄膜特性是唯一的。

超薄膜也可以用来计算3D超材料的有效特性。在这种技术中，和上面一样，超薄膜的平面波反射和传输系数用来计算表面特性。通过文献[23]中应用，之后就可以获得单个散射体的极化率。通过把这种超薄膜嵌入三维超材料里，就可以通过Clausius-Mossottii关系来得到有效介电常数和磁导率。这种技术是一种很有用的计算标准参数的方法，尤其是当波在一个很小的多层样本中传输时候。

在本文的其他部分，我们将讨论近几年超表面的各种应用。可调表面

对于一个给定的超表面，我们可以通过很多商用模型来分析它与电磁场的反应。然而，如我们所见，可以通过广义等效面转换条件来获得平面波的传输和反射系数。对于超薄膜，适用于方程7和方程8.这些特性与超薄膜的表面特性有关。这些方程的好处是可以让我们从物理方面洞察表面特性与反射、传输系数的关系。方程7和方程8阐释了通过控制表面的反射和传输系数可以改变表面特性。

以方程7和方程8为例，我们可以写出在全反射或者全透过时电、磁特性的关系。在全反射时：

而对于全透过时所需的条件是：

理论上控制反射和传输系数可以通过以下机制来完成：1，通过改变散射体的电磁特性；2，通过改变基板（材料特性或者几何构造）的结构。以球磁粒子组成的超薄膜为例，图9所示为R关于散射体磁导率的曲线。图中可以看出，基于散射体磁导率的变化，超薄膜从全反射变化到了全透射。这种可控表面已经实现，其组成是由球形YIG粒子所组成的超薄膜，控制激励是外加DC磁场。图10所示为这种超薄膜的传输特性随外加DC磁场的变化。一些其他的方法也已经可以用来控制超表面，并且在动态控制领域也有许多研究在开展，我们将在第7和第9部分做讨论。各向异性超表面：角独立特性、吸波器和阻抗匹配表面。

各向异性散射体所组成的超薄膜可以用来获得与各项同性超表面所不同的很多应用。这些应用中的一个有趣的体超材料是在其内设计出各向异性的表现。实际上这个主意来着隐身斗篷材料，其有着很大的关注度。这种材料是通过在超材料里设计各向异性材料来设计的，覆盖有这种材料的物体可以使光在其表面传播或者弯曲。经过合理设计的各向异性超材料可以达到既不散射又不吸收能量，这样就可以在电磁波里实现隐身效果。现在可以在理论上实现从射频到可见光的隐身。但由于材料和结构的本质属性，在获得宽带隐身效果来说还有着技术难点需要突破。试验证明窄带单偏振的隐身实例已经可以实现。

同样，这种概念也可以扩展到超表面中。在这个设计中，其表面设计将选用散射体所组成的超表面来达到期望的性能。例如，理论上可以可以设计出一种超表面来达到将EM波聚焦到目的区域，与聚焦天线阵列很像。如果可以按照期望的控制超表面的散射体，就可以得到一种能够改变能量聚焦所在的方向和频率的超表面，这种概念现在正在研究。

另一个例子是怎样获得不依赖角度（至少是某种参数范围中）的反射和传输系数。对于一个给定的入射角，方程13给出了在发生全反射时表面电和磁的磁化系数。方程13给出了一种可以在这种全反射状态下获得近似角独立的结构。以TE波为例，当MS>>ES时，角依赖性被削弱，这是基于方程13中圆括号前部分控制第二角依赖部分。同样地，对于TM波，当MS>>ES时,其角依赖性同样变弱。当超薄膜的散射体结构达到谐振频率时，会产生这种性质。当所指部分占优势时，方程13中全反射条件变成： yyzzzzyy

如果超表面设计成这种传输成分的表面特性的共振相比于普通成分来说非常高，则这种超表面或许会产生角独立特性。这种特性在图11中阐释出来，其中我们画出了超表面的反射系数，这个超表面是由图1b所示金属结构组成。在图中可以看到这个表面在600入射角处获得近似角独立。

我们可以将这个概念扩展到很多其他的结构上。例如，具有高的各向异性材料的板也可以获得角独立特性。文献[61]展示，这种特性可以通过检测不同各向异性基板的反射系数来观测。另外，引进计算电磁学中的完美匹配层（PML）可以减少辐射边界所产生的误差，同样它也需要这种角独立特性。这种PML可以通过超表面的理念来实现，这种课题正在研究中。

这种结构为发展紧密的电磁吸波器提供了可匹配的能耗材料，并且使独特的阻抗匹配表面得以实现。基于这种想法的吸波器最近开始出现在文献中[53-58]。这种结构通常由覆盖有金属板的能耗基板和其前部的超表面组成（图1b的第二幅图）。这种结构或许会是窄频的，但它同样也是很紧凑的。使用超表面的这种结构的另一个优势是它有着很好的角独立特性，这在理论和实验中都是已经证明的了。对于角独立特性的物理说明如上述或者文献[60]。

不同的团队同样也研究了超表面在阻抗匹配表面的应用。与图12a所示的金属阵列相似的结构已经被用来制作宽角度的阻抗匹配表面。这种结构具有高各向异性，可以使角独立特性得以实现。这种薄各向异性超表面的反射特性在图12b中展示。谐振器尺度的优化

Engheta展示了当孔中部分填充负折射率材料时候，在λ/2尺寸规模的谐振器结构的尺度还可以再减小。文献[35,36]中扩展了这个理论，使用超表面也达到了同样的效果。利用超表面的优势是可以理论上比利用3D超材料所实现的尺寸要小。距离为d的两个金属板之间放置超表面，达到共振所需要的相位匹配条件是

当M0时，n=0不成立。通过这个方程，可以看出如果合理设计超表面的话，谐振器尺寸可以超越λ/2波长的限制。

例如，一个由两金属板及其之间的方形片状物构成的超薄膜。图13所示为三种不同板的谐振频率关于l/p（p为周期，l为单个方形物的尺寸）。当l/p=0时，就是经典结果d=λ/2。对于一个给定的d来说，电容性超表面可以很大程度上减小谐振频率，或者是减小谐振器尺寸以得到期望的谐振频率。方形片超薄膜谐振器的频率减小在表1中展示，周期p=500μm。在表中，对于不同的l/p值列出了相对应的减少值。这个表的结果展示了这种结构可以减少共振器尺寸高达56%。如果经过精细制作超表面散射体的极化特性，还可以达到更好的减少尺寸效果。实际上通过控制超表面的特性可以实现频率灵活的谐振器。波导

对于一种入射波来说，超表面可以经过特殊设计来使其发生全反射，这就使俘获并传输电磁能到两个超表面之间成为了可能。图14阐释了波导的一些现象（与图7不同的结构使其具有了沿z轴方向传播的性能）。假定波导方向沿z轴，k0sin，对于TE模型，从方程13可以看出传输常量须符合下式以达到全反射

对于漏模来说，这个常量通常很复杂。如果所选超表面满足上述标准并且β一定，则x方向的传输波数如下

两超表面的间距d

其中虚部ne越小越好，需要满足

和

（后者条件是由于在接近两个超表面时候模型将表现出一种表面波特性，很可能会增加其衰减）。对于TM模型类似的方程也在文献[37]中提出了。

这种波导可以使其变得简洁，使用更少的材料，更低的辐射能耗。如果超表面由聚合物组成，则也可以得到一种柔性的波导结构，再加上合适的超薄膜的话，可以实现柔性低损耗的波导，在THz频段有着很大的应用潜力。这可以用来设计智能可调频率灵活的波导结构。超表面上的复合波和表面波

有着传统电介质片的超表面在适当的条件下也能支持表面波的传输。然而，与传统介质片不同的是，通过设计超薄膜散射体特性，可以同时产生向前、后的表面波以及复合波。实际上，可以通过适当调节散射体来使表面被或者复合波只在指定的频率出现。在文献[109]中给出了详细的平面波的产生。超表面上线波源的反射系数的极值是超表面表面特性的函数。如果这些极值确定，在不同条件下表面传输波的传输常量由下式给出

式中βs在表2中给出，数据为电波线源的不同条件，对于磁波，见文献[109]。当表面磁化率符合其中一个条件时，就会激发表面波或者复合波。图15阐释了频率激发的超表面平面波或者是复合波。数据显示当磁波线源放置在球粒阵列上方时电场的大小。图15a展示一种表面波的激发。图15b展示复合波的例子。通过改变散射体的特性，表面磁化率也随之改变。由此，从表2中看出，在任何想要的频率下产生表面波或者复合波都是理论可行的，同样也适用于频率灵活的波导结构。

Figure 15.The magnitude of the E field(on a linear scale)from a magnetic line source placed 45.49mm above an array of spherical particles:(a)f=1.42GHz,one surface wave;and(b)f=1.5GHz,complex mode THz器件

可调表面可能有利于THz频段的设备和构成。基本上可调表面是通过改变电环境、电流或者元件环境来实现的。当电环境 改变时（通常由散射体内半导体引起），这就是混合超材料。THz频段范围内可调超表面具有举足轻重的地位。这主要是由于实际应用中缺乏THz技术。使用在微波和光子波段的器件，比如开关和调节器，并不能再THz范围内使用。一个主要的挑战在于找到在THz波段可调并有强的响应的天然材料。

众多的实例证明THz超材料具有这种优势。THz超材料有利于更高的调节能力、简单的工艺、低损耗和动态调控。第一个动态调控的实现是利用近红外激光通过调节超表面基板的电导率来调节谐振响应。模型由铜开口环谐振器和高阻抗砷化镓基板组成。激光照射之后，砷化镓带隙激发传导电子，使其具有类金属性质。这就使开口环谐振器的电容带隙发生短路，以此调节器基础谐振功能及改变超表面的宏观响应。这个观念可用短载流子寿命的半导体来展示，它可以实现极快的调节，开关功能可以在20ps实现。光控很快被电控所取代。这里，通过分子束外延生长出的适度参杂的砷化镓层，其上排布金开口环阵列而形成一个肖特基结。超材料阵列被欧姆接触环绕，以实现二次电连接。由于参杂的砷化镓不足引起谐振，在自然状态超表面没有谐振。施加偏压后，开口环在接近砷化镓带隙区域形成增大的耗尽区。这在开口环区域形成了一个绝缘的带，重置了谐振效应，因此改变其宏观特性。使用这种方法实现了调幅和相位调制，其中一个根据是Kramers-Kronig关系。尽管开口环谐振器应用存在窄带宽的缺陷，但宽带的调制是确实存在的。这是固态THz斩波器实现的起源，其可调制频率达到30kHz，通常THz束受限于1kHz。这实例形象的阐释了在室温下调制THz波的改进。

别的许多THz调节器也通过可调谐超材料实现了。这包括频率可调超表面，其中谐振频率可在近红外波段调谐。图16所示为开口环结构里植入了硅元。其自然状态下，硅是绝缘的，因此对于整个开口环结构来说其所增加的电容只有很小的数值。加入激励光，半导体显示器类金属性质，开口环电容增加，由此导致谐振频率降低。其中的创新点是，与以前的调谐不同，这种不需要损坏开口环。这既证明了可动力调谐谐振器，也使一种新的频率调谐结构成为了可能，这种结构可以使宽带THz入射波调制成1/2的频率窄带输出。

可调THz超表面仍在新应用以及新结构上发展。调幅也被用在更精细的应用上如空间光调制和量子激光调制。可调超材料也可以用另外的方法来得到，比如MEMS，其中开口环制作在悬臂上使开口环可以通过温度的改变来调节共振频率。别的温度调节方法也在研究。有一种是通过温度改变半导体载流子浓度，然后可以在THz范围来改变其电容率。制作在一个基板上的超表面可以作为一个温度调控功能的应用。其他的方法中，二氧化钒也可以作为其基板。随着温度的变化，二氧化钒由金属向绝缘体转变，特别是其电介质特性的变化，由此也引起宏观超材料共振的变化。有一种有趣的记忆超材料也由这种概念得以发展。这里，二氧化钒的磁滞特性使电介质特性温度可调成为现实。制作在这种基板上面的THz超表面可以得到持久的共振频率，可以制作成电磁响应记忆材料。

近来的研究，HTz超表面通过改变谐振器的环境可以实现动态调节，其实现是通过在超表面的表面镀电介质层。这种想法可以用来实现遥感技术，因为超表面谐振器镀电介质环境的改变非常敏感，特别是对于开口环带隙处来说。这种观念扩展到了微波频率，流体也使用在了可调表面、生物分子感测和微波辅助化学方面。这将会在后面详细的谈到。可见光超表面

提到这部分，我们仅仅谈论到超表面在射频、微波和THz的应用。很少有应用在可见光波段的超表面。在最近几年，相对于射频和微波频率，可见光波段的超材料研究具有更大的魅力。在可见光频率对材料实现自由的电磁控制使其可以解释新的现象包括optical magnetism，负折射和超透镜。在可见光频率，由金和银的纳米结构激发的等离子谐振器提供了同时控制超材料的电矩和磁矩的方法。这种结构包括等离子纳米结构、球粒、有缝金属薄膜、金属渔网结构和双层或者单层开口环谐振器。由于其在可见光频率的所具有的高吸收特性和等离子材料，可见光超材料与实际应用紧密的连接在一起。同样的，克服等离子体损耗也被列上日程。这种结构在新的特性和器件方面展示出很强的活力，如可见光调制频率选择表面和受激辐射所产生表面等离子体的应用。另一可见光超材料、表面的研究是纳米传输线。

受限于制作规模，可见光超材料常常会单层二维散射体阵列，也就是超表面。很多发表出来的关于可见光超材料的东西也就是期望的可见光超表面。如上述，应用体超材料须谨慎，广义等效面条件为可大范围的应用在可见光方面的二维散射体阵列提供了独特的描述。由此，这也是一种描述超表面的更为合适的方法，而不是使用那些适合描述体材料的方法。

尽管大部分所谓的可见光超材料就是超表面，我们也要提及最近的实现真正3D可见光超材料的研究，其中体特性如介电常数、磁导率和折射率可以合适的并且唯一的确定。创新的制作技术如压条发及堆垛法可以实现散射体的空间阵列。例如，有负折射率材料所制成的棱镜已经实现了光的负折射现象。用于可调表面、辅助化学及生物分子传感器的微流体

超材料和超表面有一个缺陷，就是在期望的频率范围可使用的频带很窄。然而，这种缺陷在某种应用上也可以变成优势。有三种这样的应用如流体调谐表面、微波辅助化学和生物分子传感器。

9.1 流体调谐表面

超材料和超表面的高共振特性为这种结构提供了可调谐频率响应。扰动超表面的电或磁响应可以实时的实施，由此可以改变材料的有效响应。在第2部分中提到可以通过改变磁偏场来改变球粒超表面的磁电介质的极化，在第7部分也提到了在THz频段的应用。然而，许多超材料和超表面电磁特性从属于其金属的几何结构。除了其几何尺寸以外，这种金属的极化率也受等离子谐振引起的电容或者感应特性的影响。电连接谐振器提供了一种直接控制电容响应的方法，通过电带隙中材料的电特性来实现。一种实现这种控制的方法是使用不同的液体来填充缝隙。

图17所示为一种电场耦合谐振器，所使用是流体调谐表面来使其运行在S波段（2.6GHz-3.9GHz），其尺寸如下：t=w=0.5mm, d=9.5mm, l=5mm, g=0.15mm.如果单元结构具有合适的导向，则这种单元结构很容易受入射波电场的激发。

制作在超表面上的单元结构具有以下诱人的特性：a 基于平面工艺，并由微波电路、聚乙烯和微流体管道组成，b 通过流体管道可以同时控制电容性缝隙，由此可以允许多种单元结构公用流体管道，c 可以使流体管道直接与单元结构的电容性缝隙接触，这就有利于缝隙中激发的电场与流体管道的耦合。

图18所示为一个3*6的方向阵列组成的流体调谐超表面。单元结构的周期是11mm。图19所示为通过72 x 34mm S波段的波导激励下的仿真响应。这个仿真是使用Ansoft HFSS实现的。

这种3x6阵列通过Duroid 6002 高频压制成0.017mm厚的铜板覆在0.508mm厚的基板上，可以用来研究流体调谐。流体管道由聚合物制成。聚合物管道通过氰基丙烯酸盐粘合剂粘贴在超表面上。图20a展示了一种有聚合物管道并穿过缝隙的超表面。图20b展示了由金、玻璃和聚乙烯管道构成的另一种结构。

这个超表面阵列由填充了2/3波导区域的聚苯乙烯泡沫支撑，被用作超表面的把手可以方便其移动，可以更快的填充流体管道。之后波导的输入和输出就连接到矢网分析仪上来校准。经过校准之后，我们测量了在波导2.6GHz到3.95GHz散射体的参数。这种方法对反射系数测得的不确定度是|S11|0.02。

管道中有没有流体的测量可以用来定义传输共振。有着相对介电常数为81的去离子水被用来测超材料调节频率的能力，在S波段其具有易操作、低挥发、高介电常数和低损耗。流体管道使用注射器填充。图21是实验中波导下的超表面。

图22为其实验结果。结果证明其在150MHz的调谐能力。具有代表性的是，在有和没有流体填充时其反射发生了明显的滑移，从3.75GHz到3.6GHz。对于图19的仿真结果与图中没有填充水时结果的不一致估计来源于工艺错误。另外，附加的噪声扰动也来源于工艺的不均性及周期误差，还有来源于管道与超表面粘结出产生的干扰。将来，工艺方面的进展将会减小这种误差。

此外，除了这种流体调谐作用，通过改变管道中流体而改变共振特性也是一种新的方法。这种方法以及应用在了制造业、工业、医药和化学工程。超材料或超表面在感测和影响的应用将会在后面做更细的论述。

9.2 微波辅助化学

处在谐振状态的超薄膜可以在单元结构里存储电磁能。这种特性可以用来增加电磁场与流体管道中流体之间的相互作用。现在有很多研究将微波能量来催化化学或者生物反应，其中有许多是得益于超薄膜来增加电磁场与流体的相互作用。这里所说的超薄膜方法对于反应来说非常重要，这种方法是通过控制反应物的流动来控制其化学反应，流体中的能量可以通过调节电磁波的频率和能量来控制。由于超薄膜阵列的谐振频率可以通过单元结构的形状和排列来调控，有不同谐振频率的不同超薄膜可以通过单一波导的不同频率来产生激励。上面所说的超表面结构可以证明流体调谐性，也被研究用于集中波导的电磁场。

S频段波导产生激励时在波导中对电磁场强度做了仿真。每输入1W3.29GHz波源，其中所计算的最大场强是800V/m。将超表面放入同一个波导中心，最大场强达到125000.这就加强场强至少有两个量级，对于吸收增强了至少四个量级。图23展示了处于单元结构中心的电场结构。

图23所示电场结构证明了超材料结构在精确传输电磁能量方面的能力。上面所说的流体调谐超材料明确的证明了流体管道与组成超表面单元结构缝隙的相互作用。由此可以想象得到这种覆有流体网络的超表面通过流体管道可以用于精确传输微波场，这可以用于辅助化学反应。

9.3 生物传感器应用

上面所说的流体调谐超材料可以扩展到实现高的谐振频率以及小片结构的传感应用。单一单元结构可以实现一种环形或者网格超材料，这可以制作小巧传感器以用于医药应用，在液体中计算细胞数或者监测反应。图24就是这样的一种例子。两个开口环连接在一起成一种共面波导结构。单元结构缝隙处连接一个流体管道，用来调节对单元结构电容的影响。通过改变管道中液体的电磁特性，可以调谐共面波导结构的传输特性。

图25是这种结构的仿真结果，流体的相对介电常数从81变到58.当流体改变时，反射系数滑移几十个MHz。这种通过使用一种流体管道来影响谐振特性的能力使小巧传感器的实现成为了可能，这种传感器可以应用于生物传感比如计算细胞数或者流体的细节。未来或许会实现这种类型的传感，定义电容率的微小变化以及使用仪器计算微粒。同样，别的类型的小巧传感器也将会继续研究，这将对综合的传感器件发展有莫大好处。现行的研究主要在将这种概念应用在流体中测定和计算微粒，如白细胞数。

结论

超表面是3D超材料的另一种补充。由于二维超表面的特性可以使其占用更少的物理空间因此可以有更小的损耗。我们指出有效特性模型可以适合于三维超材料，同时对于超表面和超薄膜来说，有效表面电、磁极化率会有更合适的效果，其中这些表面电、磁特性与组成超表面的散射体密切相关。在这篇文章中我们讨论了从微波到可见光波段超表面的不同应用。所谈及的应用只是现实的小小的小部分。同时提出了一些超材料可以使用的新的方面，并为超表面在新领域的应用打开了希望的大门。这里提及的分析工具使我们可以在新的应用中对建模、分析和生产有了可用之法。

那么什么是一维超材料呢？二维超表面的概念可以延伸到一维，仅仅使用线性单元而不是方形或者其他形状，也就是说仅仅使用一种单一的亚波长谐振结构来实现期望的效果。实际上，这种概念已经有了一些新的应用。具有代表性的应用是一种使用单元结构设计的电力小巧天线。在这个天线应用中，单元结构充当天线的辐射元件的一个寄生元件，可以用来将电力小巧辐射单元与传输线和自由空间。纳米微粒同样用于所谓的调谐可见光纳米天线。另一个例子是将一维单元结构用作平面传输线的调谐结构，就像图24所示的传感器一样。另一种新兴的应用领域是将一种一维纳米微粒链用作波导来支持表面波。

然而更多的工作需要继续来加强对超材料和超表面的理解、分析、设计以及制作技术，我们看到近些年超材料和超表面的发展带我们走近了一百多年前Lamb,Schuster,Pocklington所作出的预言。这些材料发展永远的改变了射频、微波、可见光和光子在未来的应用。