基於球單元的產品吸聲降噪的設計方法與流程
2023-04-23 16:02:22 1
本發明涉及結構設計技術領域，尤其涉及基於球單元的產品吸聲降噪的設計方法。
背景技術：
多孔網狀結構具備輕質、多功能和可設計等特點，具有高比強度、高比剛度、高強韌、高能量吸收等優良機械性能，以及減震、散熱、吸聲、電磁屏蔽、滲透性等特殊性質，從而具有廣泛的應用前景。多孔材料具有吸聲作用主要是由於其內部具有大量彼此連通的微孔或間隙，且通過表面與外界相通。多孔材料的吸聲是一種物理過程的能量轉換，其吸聲機制主要包括：材料本身的阻尼衰減、滲流在孔隙間的熱彈性壓縮膨脹、與孔壁摩擦的黏滯耗散以及流過邊角所產生的渦等。
聲波進入多孔材料後引起空氣振動，由于振動受到曲折孔隙壁的阻擋，空氣與孔隙壁發生摩擦和黏滯使相當一部分聲能轉化為熱能耗散；孔中的空氣和孔壁之間的熱交換引起的熱損失，也使聲能衰減，造成能量損失。不同孔隙尺寸、孔隙度的多孔材料對聲波傳播的影響及吸聲特性有很大差別。孔隙較大時，聲波進入後不容易發生二次或多次反覆碰撞，因而能量損失較少。但當孔隙細小時，聲波發生多次碰撞的可能性增加，每次反射、折射都要消耗一定能量。因此孔徑小的多孔材料比孔徑大的吸收的能量多。但孔徑尺寸也不能過小，因為大部分聲波有可能在未進入材料前即已反射，因此要合理選擇孔徑尺寸以達到吸聲效果。
3D列印，也叫快速成形技術、增材製造技術,原理是將三維的實體的數字模型(CAD文件)離散化成切片模型，再將切片模型轉化為列印頭的行走軌跡，通過列印頭將材料不斷添加到列印件上去，這樣材料就按照列印軌跡不斷的被添加，逐層列印起來，就形成了最終的實體列印件。與傳統製造業的「減材製造技術」不同，3D列印遵從的是加法原則，可以直接將計算機中的設計轉化為模型，直接製造零件或產品，不再需要傳統的刀具、夾具和工具機；同時直接將虛擬的數位化實體模型轉變為產品，極大地簡化了生產的流程，降低了材料的生產成本，縮短了產品的設計與開發周期，使得生產任意複雜結構零部件成為可能，也是實現材料微觀組織結構和性能的可設計的重要技術手段。
3D列印耗材包括：塑料、橡膠、金屬、粉末、尼龍、薄膜、樹脂、石蠟、石膏、尼龍絲、鈦合金、陶瓷等不同材料。3D列印技術將使得商品的生產製造進入全新的階段，生產的組織方式也會更加扁平化，而它潛在的對生產的巨大解放，能夠極大提高我們社會生產效率。
球具有優良的力學性能，數學表達精簡，其結構的特殊性，可以將應力集中處的極高應力通過球與球間的接觸分散。
技術實現要素：
本發明提供了一種基於球單元的產品吸聲降噪的設計方法，包括如下步驟：
(1)定義設計域、載荷和邊界條件；
(2)對產品區域劃分有限元網格，同時初始化各變量；
(3)利用基於均勻化計算理論結合結構構型設計和材料構型設計、以聲輻射功率為目標的優化模型，對產品各單元進行有限元分析，利用模型構造出最優的吸聲降噪的多孔結構；
(4)在產品的指定的位置填充球單元或球單元的拓撲結構，從而構造出最優的吸聲降噪的多孔結構，使產品具有良好的吸聲降噪性能；
(5)對設計好內部結構的產品在設計要求的工況下進行有限元分析，得出部件的應力分布與力學性能相關的參數；
(6)對步驟(5)獲得的力學參數進行數據分析、歸納整理，得到系統性、綜合性的力學問題和優化導向，通過改變球單元的材料、結構實現產品所需的強度要求；
(7)對步驟(6)中設計出的結構，進行計算機仿真分析和相關測試驗證部件是否滿足設計需求。
作為本發明的進一步改進，在所述步驟(3)中，通過JCA模型構造出最優的吸聲降噪的多孔結構。
作為本發明的進一步改進，所述球單元或球單元的拓撲結構包括實心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼、半球或球體的拓撲結構。
作為本發明的進一步改進，在所述步驟(7)中，包括如下步驟：
(71)通過常規實驗測試3D列印出的產品的基本物理機械性能；
(72)按照部件在實際工作中的工況搭建微縮的試驗平臺，從零逐漸增加載荷，在試驗平臺上對產品進行加載試驗，採用電阻應變片法測試不同載荷條件下部件的變形分布以及變形量變化情況；
(73)將步驟(71)中測量的部件的基本物理機械性能以及基本物理機械性能種類與步驟(72)中的不同載荷條件作為基本輸入值，採用有限元分析軟體進行產品的受力模擬分析；將模擬的變量分析結果與步驟(72)中實測結果進行對照，符合度大於90％則進行下一步，否則返回到(73)調整基本物理機械性能種類及載荷條件，再次進行模擬分析，直到理論和試驗符合度達到要求；
(74)將步驟(73)中調整好的載荷條件、基本物理機械性能種類和(71)中的材料基本物理機械性能作為輸入參數，採用有限元分析軟體進行產品受力模擬分析，從零開始增加載荷力的大小，模擬分析出產品的強度，即可推演出相應產品在實際工況下不會變形過大而失效，能夠承受得住相應的載荷。
作為本發明的進一步改進，在所述步驟(71)中，基本物理機械性能包括：抗拉強度、彈性模量、布氏硬度、泊松比、屈服強度、切線模量和密度。
作為本發明的進一步改進，步驟(72)、(73)、(74)中所述的載荷條件指的是施加載荷力的大小、力的方向、力的作用點和力的分布情況。
作為本發明的進一步改進，將改進的內部結構設計建立相應的球心的三維位置、球心半徑的結構矩陣，設計出相應的結構算法，利用3D列印技術進行量化生產。
本發明的有益效果是：通過拓撲優化方法構造出的最優的吸聲降噪結構，通過在產品內通過填充球單元及其拓撲結構來構造最優的吸聲降噪結構，在滿足最優吸聲降噪性能的前提下通過改變球單元的結構屬性可以滿足產品的外部應力需求，在應力集中的地方增大內部結構的強度，通過設計合理的結構可以增強產品的吸聲降噪性能。
附圖說明
圖1是本發明的方法框圖。
具體實施方式
本發明公開了一種基於球單元的產品吸聲降噪的設計方法，包括基於均勻化計算理論結合結構構型設計和材料構型設計建立具有優良吸聲降噪性能的多孔結構，並通過在合理的位置填充球單元或球單元的拓撲結構等，如合理半徑大小的實心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼、半球或球體的拓撲結構等球單元，從而構造出最優的吸聲降噪的多孔結構，設計出吸聲降噪性能優良、同時質量輕強度大的產品。
本發明具體包括如下步驟：
(1)定義設計域、載荷和邊界條件；
(2)對產品區域劃分有限元網格，同時初始化各變量；
(3)利用基於均勻化計算理論結合結構構型設計和材料構型設計、以聲輻射功率為目標的優化模型，對產品各單元進行有限元分析，利用模型構造出最優的吸聲降噪的多孔結構；
(4)在產品的指定的位置填充球單元或球單元的拓撲結構，從而構造出最優的吸聲降噪的多孔結構，使產品具有良好的吸聲降噪性能；
(5)對設計好內部結構的產品在設計要求的工況下進行有限元分析，得出部件的應力分布與力學性能相關的參數；
(6)對步驟(5)獲得的力學參數進行數據分析、歸納整理，得到系統性、綜合性的力學問題和優化導向，通過改變球單元的材料、結構實現產品所需的強度要求；
(7)對步驟(6)中設計出的結構，進行計算機仿真分析和相關測試驗證部件是否滿足設計需求。
所述球單元或球單元的拓撲結構包括實心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼、半球或球體的拓撲結構。
在所述步驟(3)中，通過JCA模型構造出最優的吸聲降噪的多孔結構。
在所述步驟(7)中，包括如下步驟：
(71)通過常規實驗測試3D列印出的產品的基本物理機械性能；
(72)按照部件在實際工作中的工況搭建微縮的試驗平臺，從零逐漸增加載荷，在試驗平臺上對產品進行加載試驗，採用電阻應變片法測試不同載荷條件下部件的變形分布以及變形量變化情況；
(73)將步驟(71)中測量的部件的基本物理機械性能以及基本物理機械性能種類與步驟(72)中的不同載荷條件作為基本輸入值，採用有限元分析軟體進行產品的受力模擬分析；將模擬的變量分析結果與步驟(72)中實測結果進行對照，符合度大於90％則進行下一步，否則返回到(73)調整基本物理機械性能種類及載荷條件，再次進行模擬分析，直到理論和試驗符合度達到要求；
(74)將步驟(73)中調整好的載荷條件、基本物理機械性能種類和(71)中的材料基本物理機械性能作為輸入參數，採用有限元分析軟體進行產品受力模擬分析，從零開始增加載荷力的大小，模擬分析出產品的強度，即可推演出相應產品在實際工況下不會變形過大而失效，能夠承受得住相應的載荷。
在所述步驟(71)中，基本物理機械性能包括：抗拉強度、彈性模量、布氏硬度、泊松比、屈服強度、切線模量和密度。
步驟(72)、(73)、(74)中所述的載荷條件指的是施加載荷力的大小、力的方向、力的作用點和力的分布情況。
對設計出的部件進行步驟(71)-步驟(74)的測試實驗，不斷優化部件的內部結構設計，如將空心球改為實心球等方法改變球單元的結構性質，從而達到最優化的設計。
將改進的內部結構設計建立相應的球心的三維位置、球心半徑的結構矩陣，設計出相應的結構算法，利用3D列印技術進行量化生產。
本發明填充的球單元包括但不限於球、由球衍生出的球殼、表面含孔洞的球殼以及球的拓撲結構等多種幾何體。
亞表面是指在幾何外形固定產品的內部空間，通過改變產品內部的結構優化產品的力學性能和物理特性，包括但不限於應力分布、比剛度、比強度和吸聲降噪性能等。
使用的多孔網狀結構是基於上述定義的球單元的結構。
球單元的設計自由度包括單元種類和分布特徵，單元種類包括但不限於實體球、表面打孔的球殼等，分布特徵包括但不限於球單元三維坐標數學參數等。
本發明利用拓撲優化的方法，設計出最優的吸聲降噪性能的多孔結構，並通過填充球單元及其拓撲結構的方法來構造多孔結構，從而優化產品的吸聲降噪性能。
本發明具體涉及一種基於球單元的亞表面多孔網狀結構的設計方法，用於設計出具有優良的吸聲降噪性能同時具備優良力學性能的產品。本方法需要結合部件設計需求，利用拓撲優化的方法選擇合適的位置設計球單元多孔網狀結構，進而設計出具有優良力學性能和吸聲降噪性能的產品。
本方法基於均勻化計算理論結合結構構型設計和材料構型設計建立具有優良吸聲降噪性能的多孔結構，之後通過設計合適的亞表面多孔網狀結構，從而提升部件的結構強度、抗壓抗磨損性能等力學性能和增加傳統結構所沒有的超阻尼等物理特性，實現在不改變結構外形條件下能根據結構使用要求改變結構的質量分布、剛度分布、載荷路徑、阻尼分布、失效分布、模態分布、傳熱分布、壽命分布等機械性能，構建出具有優良吸聲降噪性能、滿足產品外部應力需求的多孔網狀結構，具體在於利用球、由球衍生出的球殼、表面含孔洞的球殼以及球的拓撲結構等多種球單元幾何體的合理組合，通過改變球單元的種類、分布規律等參數，設計出以球單元為基礎的亞表面多孔網狀結構，達到提升產品的吸聲降噪性能、力學性能和物理特性的目的。本發明的設計方法應對了現有材料製造的產品難以滿足設計要求的現狀，能製造出重量輕、強度大、吸聲降噪能力好的產品。
本發明具體的技術優勢如下：
通過拓撲優化方法構造出的最優的吸聲降噪結構，通過在產品內通過填充球單元及其拓撲結構來構造最優的吸聲降噪結構，在滿足最優吸聲降噪性能的前提下通過改變球單元的結構屬性可以滿足產品的外部應力需求，在應力集中的地方增大內部結構的強度，例如使用實心球體、實心半球等，在應力分散的地方減小內部結構的強度，例如使用空心球殼等。通過設計合理的結構可以增強產品的吸聲降噪性能。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。