基于ISIGHT的二维手性声子晶体带隙最优设计

本文首先利用有限元仿真软件COMSOL计算了二维手性声子晶体的带隙,分析了散射体参数与韧带涂层参数变化对带隙的影响规律。在此基础上,确定手性声子晶体带隙最优设计的有效参数设计空间;然后基于ISIGHT优化设计平台嵌入遗传算法,开展二维手性声子晶体带隙的最优设计。在带隙的最优设计过程中,先以二维手性声子晶体的有效构型参数为设计变量,相对带隙宽度最大为目标,设计手性声子晶体单胞构型。再以此优化单胞构型为初始构型,以手性声子晶体的有效材料参数为设计变量,相对带隙宽度最大为目标,进一步实现二维手性声子晶体带隙的最优设计。本工作极大限度地挖掘了二维手性声子晶体带隙最优设计潜能,为充分发挥手性声子晶体在减振降噪中的作用提供了可靠有效的分析设计方法。

基于遗传算法的声子晶体梁振动传输特性优化设计

以工程中常用的梁类结构为背景,研究了利用声子晶体带隙来抑制梁中振动传播的设计方法,在考虑附加质量、振幅等约束条件下,用遗传算法来优化设计声子晶体梁的力学参数,从而实现"按需设计"。基于传递矩阵法建立了局域共振声子晶体梁振动传输特性的计算方法,以某频段内的插入损失最大为优化目标,通过建立有效的惩罚函数并选择合适的遗传运算策略,建立了考虑质量、振幅约束条件下局域振子参数的优化设计方法,实现了局域共振声子晶体梁振子参数的优化设计,并分析了优化结果的正确性。所提出的优化设计方法对于将声子晶体应用于抑制结构振动传播的工程实践具有重要的实用价值。

声子晶体串联组合杆振动带隙研究

将声子晶体思想引入串联组合杆结构,构造二组元声子晶体串联组合杆结构。采用传递矩阵法对其进行理论分析及数值计算,并通过有限元仿真验证理论分析结果。对给定的减振要求进行遗传算法最优化求解。研究表明,由于面内、外振动耦合作用,在杆件结合处声子晶体串联组合杆能实现波型转换,弯曲、纵向、扭转带隙可同时被利用,可获得三维宽频减振能力;各子杆间夹角对减振性能有显著影响,可利用遗传算法对所需带隙范围进行声子晶体串联组合杆夹角最优化设计;加载角对各夹角组合形式的声子晶体串联组合杆减振性能影响规律类似,即加载角为0°或90°时该结构减振能力明显优于其它加载情况。

考虑可制造性约束的声子晶体多目标拓扑优化

对声子晶体进行拓扑优化可得到具有目标带隙特性的声子晶体结构,在减振、隔声等领域具有潜在应用价值.然而,优化结果常会出现孤立材料单元而导致的制造困难问题.针对该问题,本文提出协同考虑带隙性能和可制造性约束的二维多相声子晶体多目标拓扑优化方法.以在特定频率段带隙最宽和结构质量最小为优化目标,在对微结构进行连通性分析的基础上,引入考虑可制造性因素的附加约束,并利用有限元法和具有精英选择策略的非支配排序遗传算法对该优化模型进行数值求解.通过数值算例验证了本文模型及方法的合理性和有效性.结果表明,附加可制造性约束的拓扑优化模型可有效避免二维声子晶体构型中出现孤立材料单元的情况,优化结果在满足带隙性能预期指标的同时也可兼顾到实际可制造性要求.与仅仅考虑带隙性能的单目标优化结果相比,本文提出的同时兼顾带隙性能和可制造因素的多目标优化模型可以针对实际应用和制造条件,实现不同目标间的平衡,具有显著优势和良好的应用前景.

弯折臂格栅结构声子晶体带隙优化

通过对弯臂格栅结构声子晶体中密度、弹性模量以及模型几何参数等因素对第一带隙宽度的影响规律的研究,对弯臂格栅结构声子晶体设计参数进行了优化,优化后的结构较初始设计结构带隙宽度增加了近三倍,该优化方法有效地改善了声子晶体的带隙特性。选取与文献中相同的参数所得的计算结果与文献中的实验结果吻合良好,证明了计算模型的理论可行性,同时设计参数对带隙的影响规律与COMSOL进行了对比也验证了规律的正确性,在此基础上利用基于NSGA-II遗传算法的优化方法可以实现对声子晶体结构带隙的控制。

考虑材料参数的二维固/固声子晶体拓扑优化设计

基于混合变量的两阶段遗传算法,对声子晶体拓扑构型及影响二维固/固声子晶体的材料参数进行优化,得到了较宽的低频带隙。结果表明,散射体的材料密度和弹性模量对声子晶体的带隙特性均具有重要影响,但较高的弹性模量更易于产生较宽的低频带隙;在散射体具有较高的弹性模量时,能够大幅增加声子晶体的相对带宽,在此基础上,密度的改变能够进一步发挥调制作用;散射体和基体的密度差值及弹性模量差值越大越易产生较宽的带隙,这为声子晶体的带隙调制和设计提供了一定的理论依据。

多相材料声子晶体微结构的拓扑优化设计

声子晶体的带隙特性可以通过调整其周期性的微结构来控制,具有很强的可设计性,因此在材料的隔振、隔声和滤波等领域具有潜在的应用价值。合理的控制材料的布局和比例,有望得到具有特殊带隙性质的复合材料。通过遗传算法和拓扑优化技术研究了二维三相声子晶体的优化设计,并给出了三个算例研究。结果表明:三相材料能够得到更好的隔振效果;对比两相材料,三相声子晶体能够进一步降低禁带频率,并得到更大的相对带宽。可见,利用进化算法进行多相声子晶体的拓扑优化设计是可行的。

空间梁声子晶体带隙结构

为解决空间桁架、框架等复杂结构的稳定性,对其基本单元组成的空间梁声子晶体的带隙结构进行研究.运用行波法对梁单元的拉压、扭转、弯曲以及三者耦合的振动方程进行求解,并结合梁声子晶体节点处力和位移的连续性条件和Bloch定理,正向推导出空间梁声子晶体的色散方程和带隙特.运用遗传算法以相对带宽为目标函数(带隙总宽度与带隙下限角频率比值)对空间梁声子晶体的材料和结构尺寸进行优化,得到多组可行解并结合工程经验和经济效益逆向获得特定带隙位置和宽度的最优空间梁声子晶体结构,为空间梁声子晶体带隙结构研究提供了新思路.

压电分流声子晶体杆带隙调控研究

压电型声子晶体具有弹性波带隙特性,可用于噪声与振动控制。该文通过在环氧树脂杆上周期地布置含有负电容的压电分流单元,构造了压电声子晶体杆结构。为拓宽带隙,对此结构设计了3种元胞配置,运用传递矩阵法计算其带隙特性,并采用遗传算法对分流电路参数进行优化。理论与仿真结果表明,改变元胞中不同谐振频率的压电分流单元的个数,可以获得多个局域共振带隙,增强带隙可调谐性;运用算法优化可得到带隙调谐时分流电路参数值的最佳匹配,实现多个带隙的合并进而形成宽带,在不改变原有结构的基础上拓宽带隙。

遗传算法在二维声子晶体带隙优化中的应用

运用自适应遗传算法对二维声子晶体的带隙宽度进行优化设计,并与平面波展开法相结合,研究了由正方形排列的铅-环氧树脂构成的声子晶体的带隙宽度优化问题,发现自适应遗传算法可以有效地搜索到具有较宽完全声子带隙的优化单胞形式.

最优二维固/固声子晶体带隙特性研究

声子晶体是一种具有弹性波带隙特性的周期性复合材料,其带隙特性受单胞拓扑形状的影响.通过拓扑优化技术,能够突破传统设计方法的局限,实现对声子晶体的主动设计.论文基于遗传算法和改进的平面波展开法,通过两阶段的优化过程,得到具有最大相对带隙的二维铜/环氧树脂声子晶体结构,并进一步研究不同带隙最优声子晶体单胞拓扑形状及其带隙特性.结果表明,利用所开发的带隙优化程序,能够得到满足带隙要求的具有全局最优的声子晶体结构;声子晶体最低带隙所对应的单胞是简单晶格结构,其散射体形状简单,而且对应的带隙频率最低,相对带隙最大,对于隔音减振最有实用价值.