多孔吸聲材料孔結(jié)構(gòu)與阻尼材料布局優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、噪聲污染已經(jīng)成為當(dāng)今世界最為嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。聲波傳播抑制（吸收和隔聲）和聲源結(jié)構(gòu)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(qiáng)依賴于孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)型的設(shè)計(jì)方法以獲得最佳的吸聲性能。鋪設(shè)阻尼層結(jié)構(gòu)是聲源結(jié)構(gòu)減振方面非常有效的方式，而阻尼材料的性質(zhì)、布局方式以及兩者之間的協(xié)同設(shè)計(jì)對(duì)于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型）和阻尼材料布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論和方法。在這些需求的牽引下，本文基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，研究建立多孔吸聲材料孔結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的優(yōu)化模型和求解方法、以及振動(dòng)結(jié)構(gòu)中阻尼材料的最優(yōu)布局方式設(shè)計(jì)理論和方法，以獲得能夠?qū)崿F(xiàn)振源減振降噪的結(jié)構(gòu)形式。主要研究?jī)?nèi)容和成果包括：
　　⑴圓柱形通孔多孔材料孔結(jié)構(gòu)梯度變化規(guī)律的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

3、和求解方法。針對(duì)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(shè)計(jì)方法。采用表面阻抗法和傳遞矩陣法推導(dǎo)了不同邊界條件下多層多孔材料吸聲性能分析計(jì)算的解析方法;以特定頻率下材料吸聲性能最優(yōu)為目標(biāo)，建立了多層吸聲材料各層孔徑尺寸最優(yōu)設(shè)計(jì)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(gòu)型，其吸聲性能指標(biāo)比均一孔徑材料的最優(yōu)設(shè)計(jì)有較大幅度的提高。采用商業(yè)軟件COMSOL對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了數(shù)值

4、仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性。
　　⑵周期性非均勻柱形通孔吸聲材料孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。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?。侠碓O(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)與吸聲性能之間的聯(lián)系，并根據(jù)材料孔結(jié)構(gòu)中流場(chǎng)的有限元數(shù)值分析結(jié)果獲得JCA模型中的宏觀聲學(xué)參數(shù);以此為基礎(chǔ)，研究建立了特定頻率下非均勻柱形通孔材料孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型和求

5、解方法。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得了具有高效吸聲性能的非均勻柱形通孔材料孔結(jié)構(gòu)構(gòu)型。受優(yōu)化結(jié)果的啟發(fā)，結(jié)合閉孔泡沫材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建了閉孔泡沫材料實(shí)行打孔后的孔結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)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(jié)果證明了打孔對(duì)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(shè)計(jì)。以復(fù)雜的金屬纖維多孔材料為研究對(duì)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。首先研究了

6、纖維截面半徑和纖維間距對(duì)于材料吸聲性能的影響，并通過結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)吸聲性能受纖維間距的影響較大，而對(duì)纖維半徑的變化依賴較弱;進(jìn)而研究建立了以纖維半徑和間距為設(shè)計(jì)參數(shù)，以特定頻段材料平均吸聲性能最大化為目標(biāo)的纖維材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化問題提法和求解方法;通過優(yōu)化計(jì)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(guān)系，并且基于該匹配關(guān)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(jié)構(gòu)阻尼性能最優(yōu)為目標(biāo)，從微觀和宏觀兩個(gè)層級(jí)分別建立了阻尼材料微結(jié)構(gòu)構(gòu)型和阻尼材料布局優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法，具體包括以下內(nèi)容：①特定性能粘彈性阻尼材料微結(jié)構(gòu)構(gòu)型拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。粘彈性材料的性質(zhì)對(duì)于結(jié)構(gòu)阻尼性能具有重要的影響。本文基于均勻化方法推導(dǎo)了粘彈性材料的等效性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)基體粘彈性材料為各向同性材料且泊松比為常數(shù)時(shí)，

8、多孔粘彈性材料的等效材料阻尼系數(shù)與單胞的微結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型無關(guān);基于SIMP方法，以微觀設(shè)計(jì)域的單元相對(duì)密度為設(shè)計(jì)變量，構(gòu)建了具有特定性能的多孔粘彈性阻尼材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的拓?fù)鋬?yōu)化方法。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，拓?fù)鋬?yōu)化方法可以實(shí)現(xiàn)特定性能的多孔粘彈性材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且特定性能的粘彈性材料對(duì)于改善宏觀結(jié)構(gòu)阻尼性能具有十分重要的作用。②結(jié)構(gòu)模態(tài)損耗因子最大化的粘彈性阻尼材料微結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)方法。以粘彈性阻尼材料微觀設(shè)計(jì)域的材料密度為設(shè)計(jì)變量，以宏觀結(jié)構(gòu)

9、的模態(tài)阻尼系數(shù)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)模型;研究了優(yōu)化模型的求解方法，給出了目標(biāo)函數(shù)關(guān)于設(shè)計(jì)變量的敏度解析表達(dá)式;探討了宏觀結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)于材料微結(jié)構(gòu)最優(yōu)拓?fù)涞挠绊?。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率較高時(shí)，材料微結(jié)構(gòu)最優(yōu)構(gòu)型往往為實(shí)心材料，而結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率較低時(shí)，采用多孔粘彈性阻尼材料可以提高宏觀結(jié)構(gòu)的阻尼性能。③振動(dòng)結(jié)構(gòu)中阻尼材料布局拓?fù)鋬?yōu)化方法?？紤]結(jié)構(gòu)最大模態(tài)損耗因子，建立了結(jié)構(gòu)表面阻尼材料最優(yōu)布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的提法和求解策略;