前沿文献:通过拓扑优化最大化声子晶体的声带隙

文摘   2024-11-03 12:17   江苏  

设计声子晶体(pnc),使其具有尽可能宽的带隙,或包含指定的频率范围,对于实现适合特定功能的声子晶体是必不可少的。然而,实现以特定频率为中心的声波的宽带隙仍然是一个重大挑战。挑战来自于这样一个事实,即优化目标函数可能会被不连接的空气区域增强。然而,这些不相连的区域阻碍了空气的流通,使得pnc缺乏实际的工程用途。在本研究中,我们提出了一种拓扑优化方法,旨在制作空气/固体pnc,使声波在指定中心频率处的带隙最大化。为了确保pnc内部有足够的透气性,优化模型结合了虚拟温度技术和最小长度尺度技术。通过材料场级数展开,以较少的设计变量来表示PnC单元胞的拓扑结构,并采用基于kriging的优化算法来解决复杂的优化问题。提出了不同的优化结构,实验结果令人信服地强调了所提出的优化方法在设计面向特定中心频率声波的声子带隙晶体方面的有效性。

在这项工作中,提出了一种新的拓扑优化方法来优化空气/固体PnC单元电池的材料分布,旨在最大化指定中心频率下的声波带隙。在最大化全向声波带隙的优化问题中,解决空气的连通性和扩大空气通道的宽度是一个重大的挑战。为了解决这一问题,本研究将虚拟温度技术与最小尺度技术相结合。为了解决这一复杂的优化问题,采用了KG-MFSE算法。利用有限元法计算了带结构和虚拟热柔度。在统一归一化频率Ω* = 0.5下,得到了不同物理尺度下的优化结果。值得注意的是,随着物理尺度的增加,空气通道变宽,但这导致了带隙的缩小。此外,在保持物理尺度不变的情况下,在不同频率下进行的优化会产生不同的拓扑结构。实验验证了所提优化方法的有效性。优化后的pnc具有出色的宽带隙特性,突出了其在降噪和专用声学器件方面的应用潜力。

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