基于声功率灵敏度的低噪声结构拓扑优化算法研究

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薄板类结构拥有良好的易加工性、轻量化等特点,被广泛应用于汽车、轮船以及航天等工程领域。覆盖范围大、厚度薄、质量轻的同时又使得此类结构的刚度不足,易受到振动的影响而产生较大的噪声,因此薄板结构在工程应用时经常以加筋板的形式存在。随着人们对噪声问题关注程度不断提高,如何控制加筋板结构辐射噪声的研究成为加筋板设计的关键问题所在。目前存在的主要拓扑优化算法中多以结构刚度、强度等作为目标的优化,以声学为目标的拓扑优化为数不多。因此本文在传统拓扑优化算法的基础上,从声学角度研究薄板类结构如何合理布置加强筋位置使得声辐射最小的问题,提出一种基于声功率灵敏度的加筋位置分布优化算法。  首先通过有限元建立加筋板结构离散模型,结合结构动力学方程求取在激励下结构的振速分布。将声辐射模态理论应用于声学环节中,推导薄板结构在加筋后辐射声功率表达式。分析位置的改变对结构振速分布和声辐射特性的影响。基于声辐射模态求取声辐射响应的加筋薄板特点,建立加筋薄板结构的拓扑优化数学模型。从声学角度提出一种通过寻找结构表面最佳的加筋布局控制结构声辐射的拓扑优化算法。在算法中将结构辐射声功率最小化作为优化目标,加强筋位置布局参数作为设计变量。从起始点出发使得加强筋布局的形成类似于植物生长的过程。将声功率灵敏度贯穿算法始终。利用声辐射模态求取辐射声功率关于结构不同加筋位置的灵敏度,指导起始点的选择。在加强筋生长过程中,通过灵敏度分析寻找生长子集中下一加筋点位置。并通过灵敏度值作为收敛指标保证加筋的高效性,完成拓扑优化的加筋布局设计。  通过编程实现理论研究的算法流程,对加筋板结构进行仿真计算。结果表明将提出的算法应用于薄板结构加筋位置优化中可以明显改善其声辐射。将优化得到的加筋布局与传统“井”型布局在相同工况下的辐射声功率作比较,验证了算法的可行性与有效性。对算法中起始点选择方案进行了讨论,对激励力频率进行讨论验证算法在不同频率下的适用性。并分析不同收敛条件下获得的加筋布局对结构降噪效果的影响进行讨论,工程实际中需综合考虑噪声控制效果和经济性的平衡选择合适的收敛值。
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