[发明专利]一种弹性超材料复合矩形板单胞结构降噪能力的设计方法

说明书

本发明属于拓扑优化设计技术领域，具体涉及一种弹性超材料复合矩形板单胞结构降噪能力的设计方法。本发明首先在待降噪的目标齿轮箱的箱体表面选择需要降噪的目标点，确定各目标点噪声所处的频率范围。本发明将弹性超材料复合矩形板划分为正方形区域，每个正方形区域由对应优化的频率的弹性超材料复合矩形板单胞结构填充；将弹性超材料复合矩形板单胞结构整体均匀划分为小方块单元；分别计算每个小方块单元的相对密度值，相对密度值为1表示该单元被实心材料填充，相对密度值为0表示该单元被空隙填充，以此来构建弹性超材料复合矩形板，并将将构建的弹性超材料复合矩形板敷设在待降噪的目标齿轮箱的对应目标点位置，实现目标齿轮箱的降噪。

技术领域

本发明属于拓扑优化设计技术领域，具体涉及一种弹性超材料复合矩形板单胞结构降噪能力的设计方法。

背景技术

在齿轮箱降噪领域最为有效的方法就是在箱体表面敷设弹性阻尼材料。箱体表面所敷设的阻尼材料一般选择阻尼性能强，内耗大的高分子粘弹性材料，比如丁基橡胶、聚氨酯橡胶等。这些材料的属性参数通常会随着外界温度、频率、压力等条件变化而改变，往往达不到预计降噪效果。同时大面积阻尼材料还会造成整体质量增大，箱体散热不良等问题。故而本发明将声子晶体理论应用到齿轮箱降噪领域，并通过拓扑优化得到针对特定频率降噪的弹性超材料。

在粘弹性材料内部开设声学孔腔的覆盖层结构称之为孔腔谐振吸声结构。此类结构主要是通过孔腔谐振、波型转换以及声波散射效应来增大对入射声能的损耗作用。求解孔腔谐振结构声学特性常用的解析方法包括传递矩阵方法和多重散射方法。但是解析法只能针对特殊孔隙形状进行分析，所以本发明利用拓扑优化得到特定的孔腔构型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弹性超材料复合矩形板单胞结构降噪能力的设计方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：输入待降噪的目标齿轮箱，在齿轮箱的箱体表面选择需要降噪的目标点；

步骤2：获取齿轮箱以额定功率工作时各目标点的声压，确定各目标点噪声所处的频率范围并设定为覆盖层所需优化频段；

步骤3：对覆盖层所需优化频段进行分区，将覆盖层所需优化频段分为n₁个区间，将区间中心设定为弹性超材料复合矩形板单胞结构需要优化的频率；将弹性超材料复合矩形板划分为n₂个正方形区域，每个正方形区域由对应优化的频率的弹性超材料复合矩形板单胞结构填充；

所述的弹性超材料复合矩形板单胞结构的设计方法为：将弹性超材料复合矩形板单胞结构整体均匀划分为n₃个相同的小方块单元；分别计算每个小方块单元的相对密度值，相对密度值为1表示该单元被实心材料填充，相对密度值为0表示该单元被空隙填充；其中每一个小方块单元的相对密度值的计算方法为：

步骤3.1：初始化变量x_i和光滑参数β，设置最大迭代次数；

步骤3.2：基于保体积的非线性密度滤波法计算第i个小方块单元的相对密度值x_i；

其中，η通过求解保体积方程确定；

步骤3.3：根据第i个小方块单元的相对密度值x_i计算目标函数R；

步骤3.4：计算目标函数对第i个小方块单元的相对密度值x_i的灵敏度：

步骤3.5：利用移动渐近线方法更新设计变量，并获得x_new；

步骤3.6：计算change＝||x_new-x||_∞，change为迭代中两步之间设计变量的最大偏差；