学术前沿 | 受龟壳启发的多功能晶格中的宽带吸声和高抗损伤能力：神经网络驱动的设计和优化

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-06-11 21:33

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将声学和力学性能结合到一个单一的多功能结构在工程上引起了相当大的关注。然而，由于设计方法的不完善，将这些吸声性能和抗损伤性能有效结合以实现多功能结构设计仍然是一个巨大的挑战。本研究利用龟壳固有的力学特性，通过引入耗散孔隙，提出一种既具有优良吸声性能，又具有高抗损伤特性的晶格结构。为实现声学优化设计，提出一种通用的高保真神经网络校正模型，以解决复杂结构中阻抗计算的挑战。在此基础上，多单元组合设计通过50 mm的低厚度优化达到高吸声，在300-600 Hz和500-1000 Hz的频率范围内，平均吸声系数分别达到0.88和0.93。通过壳体厚度对声学和力学性能的耦合作用，优化后的结构在不同的相对密度下表现出非凡的抗损伤性能。总之，本工作为具有声学和力学性能的复杂多功能结构设计提供了一种新范式，同时也为多功能结构设计的未来研究提供了有价值的启发

总之，我们提出了一种龟壳启发的多功能晶格，称为TIML，通过保持优秀的力学性能，同时通过引入孔隙扩大声学性能，展示了卓越的综合能力。针对此类复杂结构吸声优化设计中的瓶颈问题，提出了一种通用的高保真神经网络修正模型。在此基础上，将粒子群算法融入声学设计模块的多频带吸声优化中。利用光固化3D打印技术制备优化后的样品用于实验研究。

利用多个谐振器串并联的耦合效应，该结构实现了显著的宽带吸声性能，在300 ~ 600 Hz和500 ~ 1000 Hz的频率范围内，平均吸声系数分别为0.88和0.93。尤其令人印象深刻的是，在这些范围内，几乎所有的吸收值都超过0.8，特别是考虑到它的厚度为50毫米。此外，由于球壳厚度对声学和力学的耦合作用，所设计的结构在不同密度下表现出较高的抗损伤性能。总的来说，鉴于应用需求不断增加，多功能建筑的需求也日益增加。同时，3D打印技术在制造能力上的进步和仿生学概念启发下设计能力的增强，推动了这些结构的快速和多样化发展。在我们的设计和优化过程中提出的新方法有望在促进这一持续发展中发挥至关重要的作用

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