学术前沿 | 无序结构的鲁棒性和多样性对吸声和抗变形的影响

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-10-23 21:52

正文

生物结构表现出优异的物理性能，例如吸声、抗压和抗疲劳性。同一物种的这些特性在相同的环境中是稳健的，而在不同的环境中是不同的。释放生物结构特性的稳健性和多样性将为不同情况下的工程结构设计提供高度灵活性。然而，生物结构的几何形状通常是无序的，几何无序的复杂性为科学家理解生物结构的稳健性和多样性背后的机制造成了障碍。在这里，利用人为无序结构的声学和机械特性来再现这种鲁棒性和多样性。我们揭示了概率物理特性的鲁棒性和多样性是由无序结构的几何统计特征决定的，并揭示了即使在严重载荷下，无序结构的声吸收也高度一致。这项工作展示了一种设计无序工程结构的新方法，其特性是针对恶劣环境的鲁棒性和多样性。

生物结构的稳健性和多样性启发了工程结构的设计。通过模仿生物结构的自组织生长过程，构建了基于四类组件的无序结构。利用无序结构的声学特性（最大吸声系数和吸声带宽）以及机械特性（抗变形能力），重现了生物结构特性的稳健性和多样性。借助单因素方差分析（One-way ANOVA）和Kruskal-Wallis H检验，发现声学和机械特性的稳健性可以通过相同的概率组合实现，而特定的概率组合可以获得声学和机械特性的多样性。通过壁室特性（壁室数和壁室形状）解释了无序结构的性质如何保证稳健性和多样性。在相同的概率组合下，壁室特性的变化微乎其微，而在不同的概率组合下则有显著差异。同时，发现即使在受压的情况下，无序结构的声学性能也能够保持稳定。未来，通过在不同区域改变组件的概率组合，可以实现结构不同部位机械特性的定制设计（附录D）。同时，还可以研究无序结构中的应力非集中现象，从而提高结构的疲劳寿命（附录E）。二维无序结构可以扩展到三维无序结构，并应用于光学、热力学和电学系统，以实现先进功能和性能。