《基於振動-聲學準則的結構宏微觀多尺度一體化拓撲最佳化》是依託清華大學，由杜建鑌擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於振動-聲學準則的結構宏微觀多尺度一體化拓撲最佳化
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：杜建鑌
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
結構的振動和聲學性能是設計中經常需要考慮的重要屬性，一類典型的減振吸聲設計是採用周期性微結構排列的多孔阻尼結構，其微結構構型主要通過實驗、計算對比或經驗進行選擇和改進，尚缺乏系統的最佳化理論和方法指導設計。拓撲最佳化是一種能充分發掘結構和材料潛力的最佳化方法，但目前國內外關於振動-聲學拓撲最佳化的研究多集中於結構巨觀構型設計，另一方面，以均勻化方法為基礎的周期性微結構拓撲最佳化研究又很少涉及結構的聲學或聲振耦合特性。本課題針對周期性多孔阻尼結構的巨觀結構和微結構構型的一體化最佳化問題進行研究，將均勻化方法推廣至振動-聲學設計領域，發展微結構的聲學等效計算方法，研究聲固耦合界面的設計依賴性對問題的影響，建立和發展系統有效的多尺度結構振動-聲學拓撲最佳化設計理論和方法。研究將進一步豐富和深化在工程特別是航空航天領域具有重要套用的周期性多孔輕質結構的設計內容，對結構減振和降噪設計具有明確的指導意義。
結題摘要
振動和聲學最佳化在飛行器結構設計中具有重要地位。與靜力拓撲最佳化相比，振動和聲學拓撲最佳化涉及材料和結構剛度、質量和阻尼分布的拓撲改進以及結構和聲介質相互作用，問題極具挑戰性。通過多尺度拓撲最佳化，在輕量化同時最大限度實現振動和聲學友好設計，具有重要的理論意義和工程套用價值。 項目針對輕質結構減振降噪設計問題開展了結構材料宏微觀一體化多尺度拓撲最佳化的理論模型、靈敏度分析和最佳化算法研究，取得了以下重要結果：1、提出並發展了一種廣義多材料-多微結構插值模型，兼具SIMP模型和PAMP多尺度插值模型優點，可同時高效處理多種基材料在宏微觀設計域的最優分布問題。2、提出基於聲輻射功率最小化的結構和材料多尺度一體化拓撲最佳化模型，發展了基於高頻近似及弱耦合的高效多尺度靈敏度分析、確定性最佳化算法和基於可靠性的最佳化算法，實現了對振動聲學結構宏微觀拓撲構型的並發設計；在此基礎上開展了一維聲子晶體拓撲最佳化設計，實現對聲子晶體帶隙特性和帶隙位置的有效調控和改進，為包括聲子晶體在內的超材料結構設計提供了新思路。3、提出了基於廣義頻率增量技術（GIF）的多共振區間動力學和聲學拓撲最佳化方法，克服了傳統動力學最佳化方法基於固定激振頻率，在基頻共振峰左側或僅在特定共振區間進行局部尋優的缺陷，通過動態跟蹤不同共振區間並發展漸進移頻技術進行尋優，獲得了更接近全局最優的設計結果，為動力學聲學拓撲最佳化這類強非凸問題全局求解提供了創新思路。4、提出了基於離散餘弦變換（DCT）的高效拓撲最佳化算法，通過對單元偽密度空間分布實施低通濾波，極大縮減了設計變數總數，大幅提升了拓撲最佳化效率。5、開發了振動聲學多目標拓撲最佳化軟體，針對高速飛行器關鍵結構部件設計提出了“動力學拓撲最佳化初步概念設計-詳細概念設計-工程幾何化設計-參數化設計和仿真校核-3D列印建模和製造”一整套設計方法和流程，並在某空氣舵加筋結構多目標動力學設計中進行了完整實現。設計結果與現有方案相比，在不降低靜、動力學指標前提下，目標加筋區有效減重達40%以上，為振動聲學拓撲最佳化方法在工程實際中的套用提供了有益探索和實踐經驗。
