学术前沿 | 在晶格结构中同时实现可定制的吸声和机械性能的方法

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-09-09 21:32

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具有可定制的声学和机械性能的晶格结构显示出作为实用工程材料的巨大前景。然而，传统晶格结构的几何形状同时决定了声学和机械性能，其中一个的改变会影响另一个，几乎没有留下定制的空间。在此，利用亥姆霍兹谐振器的机制，提出了一种在晶格结构中独立引入吸声和机械性能的通用方法。吸声组件基于穿孔板，而机械组件基于桁架结构。通过开发高保真分析声学模型，有限元分析概述了通过所提出的结构可实现的性能范围。该设计包含具有有效吸收的结构，其特征是共振峰系数≥0.7，几乎涵盖1000至5000 Hz宽范围内的每个频率，晶格厚度范围为21至25.5毫米。此外，通过实施不同的桁架可以实现不同的刚度和强度范围以及大应变变形模式。最后，该概念通过 3D 打印样本进行实验验证。这种创新方法可以定制网格结构，专门满足不同应用中的声学和机械要求。

总之，我们的研究提出了一种创新的方法和方法，同时设计和优化晶格结构的声学和力学特性，确保一种特性不依赖于另一种。我们的设计框架由两个独立决定各自属性的关键组件组成。利用亥姆霍兹共振原理，吸声完全由孔隙的几何形状决定，而直接的空腔可以适应力学特征，只要它们不严重阻碍声波的传播。通过实验，我们建立了一个高保真声学模型，可以准确地预测典型晶格几何中的吸声系数曲线。该模型证明了在1000-5000Hz的频率范围内，共振系数超过0.7，具有实现有效吸声的潜力。此外，我们还强调了通过组装具有非均匀几何形状的单元格来增强吸收带宽的可能性。利用晶体结构模拟桁架晶格，我们已经证明了通过实现不同相对密度的桁架，可以获得不同范围的刚度、强度和大应变变形模式。我们的概念是实验验证使用几个3d打印样品具有不同组合的孔隙几何形状和晶格类型。通过有限元分析阐明了机理，表明晶格吸收器及其微穿孔板的孔和腔的总耗散高度相似，肯定了晶格对亥姆霍兹谐振器的影响最小。总的来说，这项工作引入了晶格结构设计的范式转变，为裁剪提供了一个强大的框架来定制结构设计以满足特定的需求，特别是在同时优化声学和力学性能是至关重要的情况下。

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