多孔吸聲材料孔結構與阻尼材料布局優(yōu)化設計.pdf

1、噪聲污染已經(jīng)成為當今世界最為嚴重的環(huán)境問題之一。聲波傳播抑制（吸收和隔聲）和聲源結構減振是噪聲控制兩種主要手段。多孔吸聲材料作為聲波傳播抑制方面最為有效的材料之一，其吸聲性能強依賴于孔結構的幾何特征（如:孔的尺寸和形狀等），因此需要研究多孔材料孔結構構型的設計方法以獲得最佳的吸聲性能。鋪設阻尼層結構是聲源結構減振方面非常有效的方式，而阻尼材料的性質、布局方式以及兩者之間的協(xié)同設計對于結構的阻尼性能具有十分重要的影響。迫切需要建立阻尼材料

2、最優(yōu)性能（即材料微結構幾何構型）和阻尼材料布局優(yōu)化設計的理論和方法。在這些需求的牽引下，本文基于結構優(yōu)化設計的思想，研究建立多孔吸聲材料孔結構幾何構型設計的優(yōu)化模型，以獲得能夠有效抑制聲波傳播的吸聲材料;研究建立粘彈性阻尼材料微結構構型設計的優(yōu)化模型和求解方法、以及振動結構中阻尼材料的最優(yōu)布局方式設計理論和方法，以獲得能夠實現(xiàn)振源減振降噪的結構形式。主要研究內容和成果包括：
　　⑴圓柱形通孔多孔材料孔結構梯度變化規(guī)律的優(yōu)化設計模型

3、和求解方法。針對多層梯度型多孔材料，提出了通過孔徑沿厚度方向的合理變化以提高材料的吸聲性能的設計方法。采用表面阻抗法和傳遞矩陣法推導了不同邊界條件下多層多孔材料吸聲性能分析計算的解析方法;以特定頻率下材料吸聲性能最優(yōu)為目標，建立了多層吸聲材料各層孔徑尺寸最優(yōu)設計問題的提法和求解方法。獲得了高吸聲性能的梯度圓柱形通孔材料幾何構型，其吸聲性能指標比均一孔徑材料的最優(yōu)設計有較大幅度的提高。采用商業(yè)軟件COMSOL對所設計的結構的性能進行了數(shù)值

4、仿真分析，驗證了設計方法的有效性。
　?、浦芷谛苑蔷鶆蛑瓮孜暡牧峡捉Y構優(yōu)化設計。非均勻柱形通孔材料的吸聲性能依賴于通孔的分布（形狀和大?。?，合理設計通孔分布可有效提高其吸聲性能。本文利用Johnson-Champoux-Allard(JCA)模型建立材料孔結構與吸聲性能之間的聯(lián)系，并根據(jù)材料孔結構中流場的有限元數(shù)值分析結果獲得JCA模型中的宏觀聲學參數(shù);以此為基礎，研究建立了特定頻率下非均勻柱形通孔材料孔結構優(yōu)化設計模型和求

5、解方法。通過優(yōu)化設計獲得了具有高效吸聲性能的非均勻柱形通孔材料孔結構構型。受優(yōu)化結果的啟發(fā)，結合閉孔泡沫材料的結構特點，構建了閉孔泡沫材料實行打孔后的孔結構的數(shù)值計算模型，并分析了經(jīng)過打孔處理的泡沫材料的吸聲性能。數(shù)值結果證明了打孔對于提升閉孔泡沫吸聲性能的有效性。
　?、翘囟l率下金屬纖維多孔材料吸聲性能分析與設計。以復雜的金屬纖維多孔材料為研究對象，研究建立了特定頻段金屬纖維多孔材料最優(yōu)吸聲性能的微結構優(yōu)化設計方法。首先研究了

6、纖維截面半徑和纖維間距對于材料吸聲性能的影響，并通過結果分析發(fā)現(xiàn)吸聲性能受纖維間距的影響較大，而對纖維半徑的變化依賴較弱;進而研究建立了以纖維半徑和間距為設計參數(shù)，以特定頻段材料平均吸聲性能最大化為目標的纖維材料微結構設計優(yōu)化問題提法和求解方法;通過優(yōu)化計算，獲得了低頻段(20≤f＜500Hz)，中頻段(500≤f＜2000 Hz)和高頻段(2000≤f＜15000 Hz)下具有最佳吸聲性能的材料微結構構型。另外，建立了纖維截面半徑與最

7、佳孔隙率之間的匹配關系，并且基于該匹配關系提出了特定頻段下具有最優(yōu)吸聲性能的金屬纖維多孔材料快速制備流程。
　?、纫越Y構阻尼性能最優(yōu)為目標，從微觀和宏觀兩個層級分別建立了阻尼材料微結構構型和阻尼材料布局優(yōu)化設計理論和方法，具體包括以下內容：①特定性能粘彈性阻尼材料微結構構型拓撲優(yōu)化設計。粘彈性材料的性質對于結構阻尼性能具有重要的影響。本文基于均勻化方法推導了粘彈性材料的等效性質，發(fā)現(xiàn)當基體粘彈性材料為各向同性材料且泊松比為常數(shù)時，

8、多孔粘彈性材料的等效材料阻尼系數(shù)與單胞的微結構幾何構型無關;基于SIMP方法，以微觀設計域的單元相對密度為設計變量，構建了具有特定性能的多孔粘彈性阻尼材料微結構設計的拓撲優(yōu)化方法。數(shù)值計算結果表明，拓撲優(yōu)化方法可以實現(xiàn)特定性能的多孔粘彈性材料微結構設計，并且特定性能的粘彈性材料對于改善宏觀結構阻尼性能具有十分重要的作用。②結構模態(tài)損耗因子最大化的粘彈性阻尼材料微結構構型設計方法。以粘彈性阻尼材料微觀設計域的材料密度為設計變量，以宏觀結構

9、的模態(tài)阻尼系數(shù)為設計目標，建立了拓撲優(yōu)化設計問題的數(shù)學模型;研究了優(yōu)化模型的求解方法，給出了目標函數(shù)關于設計變量的敏度解析表達式;探討了宏觀結構尺寸對于材料微結構最優(yōu)拓撲的影響。結果表明，結構振動頻率較高時，材料微結構最優(yōu)構型往往為實心材料，而結構振動頻率較低時，采用多孔粘彈性阻尼材料可以提高宏觀結構的阻尼性能。③振動結構中阻尼材料布局拓撲優(yōu)化方法。考慮結構最大模態(tài)損耗因子，建立了結構表面阻尼材料最優(yōu)布局的優(yōu)化設計問題的提法和求解策略;