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基于材料选型的手性声学超材料带隙优化分析

陈炉云 谢兴

陈炉云, 谢兴. 基于材料选型的手性声学超材料带隙优化分析[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(2): 90–96 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03078
引用本文: 陈炉云, 谢兴. 基于材料选型的手性声学超材料带隙优化分析[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(2): 90–96 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03078
CHEN L Y, XIE X. Bandgap optimization for chiral acoustic metamaterials based on material selection method[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(2): 90–96 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03078
Citation: CHEN L Y, XIE X. Bandgap optimization for chiral acoustic metamaterials based on material selection method[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(2): 90–96 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03078

基于材料选型的手性声学超材料带隙优化分析

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03078
基金项目: 高技术船舶科研计划资助项目(联装函[2016]548号)
详细信息
    作者简介:

    陈炉云,男,1975年生,博士,副研究员。研究方向:结构减振降噪新材料。E-mail:cluyun@sjtu.edu.cn

    谢兴,男,1994年生,博士,工程师。研究方向:舰船结构设计与研究。E-mail:824506862@qq.com

    通信作者:

    陈炉云

  • 中图分类号: U668.5;TB34

Bandgap optimization for chiral acoustic metamaterials based on material selection method

知识共享许可协议
基于材料选型的手性声学超材料带隙优化分析陈炉云,等创作,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:   目的  旨在寻求扩大带隙频率范围,降低带隙起始频率的方法,分析并优化声学超材料的带隙。  方法  分析几何参数与材料参数对声学超材料带隙特性的影响,提出最大化带隙宽度方法。通过归一化带隙参数系数,将多目标优化问题转化为单目标优化问题。基于材料选型优化理论实现组分材料的转换,建立基于轻量化的手性声学超材料带隙参数优化方程。以六韧带手性声学超材料为例,定义散射体、韧带及包覆物等结构设计参数和材料参数为设计变量,开展声学超材料的结构参数−材料选型的综合优化。  结果  优化结果显示,带隙宽度增加了27.7%,下界频率减少了1048 Hz,初步达到了在声学超材料轻量化的基础上扩大带隙频率的目标;开展的有限长手性声学超材料结构的声传输分析验证了带隙优化方法的有效性。  结论  集成了结构参数−材料选型的综合优化可有效达到声学超材料轻量化的目标,研究成果可为新型声学超材料的设计提供技术参考。
  • 图  六韧带手性声学超材料及布里渊区

    Figure  1.  Schematic diagram of hexachiral acoustic metamaterials and irreducible Brillouin area

    图  二维声学超材料有限元模型

    Figure  2.  Finite element model of two-dimensional hexachiral acoustic metamaterials

    图  六韧带声学超材料能带结构

    Figure  3.  Bandgap structure of hexachiral acoustic metamaterials

    图  声传输模型

    Figure  4.  Acoustic transmission model

    图  声传输损失系数

    Figure  5.  Acoustic transmission loss coefficients

    图  声压场对比

    Figure  6.  Comparison of the acoustic pressure distributions

    表  材料力学特性

    Table  1.  Mechanical properties of metamaterials

    选型材料名称声速/(m·s−1)密度/(kg·m−2)优化前材料优化后材料
    散射体2 16011 600
    4 7268 960
    5 7807 850
    5 0952 730
    韧带与包覆物环氧树脂2 6801 180
    硬橡胶2 3001 200环氧树脂
    软橡胶3001 300软橡胶
    有机玻璃1 1802 680
    基体1 4801 000
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    表  优化结果对比

    Table  2.  Comparison of the optimization results

    参数初始设计优化设计
    带隙下界频率/Hz49 362.548 314.2
    带隙上界频率/Hz62 277.164 815.4
    带隙宽度/Hz12 914.616 501.2
    胞元质量/kg0.008 80.006 9
    归一化系数Ψ1.000 001.149 73
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-10
  • 修回日期:  2022-12-31
  • 网络出版日期:  2023-03-30
  • 刊出日期:  2023-04-28

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