基於遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓撲優化方法
2023-04-25 14:19:41 2
專利名稱：基於遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓撲優化方法
技術領域：
本發明屬聲帶隙材料設計領域，涉及一種聲帶隙材料拓撲優化設計方法，特別涉及一種基於遺傳算法和有限元法，對二維液-液聲子晶體原胞材料分布進行拓撲優化設計，以獲得所需要的帶隙特徵。
背景技術：
聲子晶體是指具有不同聲學特性的材料按周期性複合在一起、具有聲波帶隙的周期複合材料。當聲波在受到材料常數的周期性調製時，可能會產生聲帶隙，即一定頻率範圍的聲波的傳播被抑制或禁止。聲子晶體的這種特性具有極大的理論意義，在無源隔音、聲濾波器等新型聲學功能材料等方面具有廣泛的應用前景。在上述應用中，聲子晶體絕對帶隙的存在與否及帶隙大小都非常重要；而且，帶隙越大，其應用價值就越高。所以，尋求最大禁帶聲子晶體結構，一直是聲子晶體理論研究的重點。傳統的聲子晶體設計思路一般是:在特定的晶格類型(正方晶格、三角晶格等)條件下，採用有限的幾種對稱圖形(如二維問題中，採用圓柱、正方柱等)作為原胞的散射體，通過調整這些散射體的幾何參數以及散射體和基體材料參數來打開聲子晶體帶隙或改善帶隙的特性，進而經驗性地提煉可能的設計規律，然後指導性地尋找更好的聲子晶體新結構。然而，對何種形式的聲子晶體原胞結構具有所期望的最優帶隙，僅根據經驗性的總結和直覺性的預測，則是一個難以實現的問題，這在很大程度上束縛了人們對聲子晶體的應用。
發明內容
為了克服現有的聲子晶體設計分析方法的不足，本發明提出一種基於遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓撲優化方法，根據對二維液-液聲子晶體帶隙的要求，自動尋找對應的聲子晶體材料最優布局，得到具有最優帶隙特性的新穎的聲子晶體結構，使其達到最好的技術經濟性能。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:用有限元法計算二維液-液聲子晶體的頻散關係，獲取相應的帶隙值；然後應用遺傳優化算法，根據帶隙所要達到目標，搜索聲子晶體最優材料拓撲布局。其特點是包括以下步驟:I)初始化:隨機生成N_個二進位數表示的染色體(個體)構成初始種群。2)計算個體適應度:採用有限元法，計算每個遺傳個體對應的聲子晶體原胞的能帶，得到對應的禁帶數值。根據優化的目標，用聲子晶體禁帶構造目標函數，即:拓撲優化的目標設為第七能級和第六能級間帶隙(下面簡稱第六帶隙)相對值最大:
權利要求
1.基於遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓撲優化方法，用有限元法計算二維液-液聲子晶體的頻散關係，獲取相應的帶隙值；然後應用遺傳優化算法，根據帶隙所要達到目標，搜索聲子晶體最優材料拓撲布局；其特徵在於:包括以下步驟: 1)初始化:隨機生成N_個二進位數表示的染色體，即個體，構成初始種群； 2)計算個體適應度:二維液-液聲子晶體滿足Hemholtz方程:
2.根據權利要求1所述的基於遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓撲優化方法，其特徵在於:遺傳個體對應的聲子晶體原胞為正方晶格；聲子晶體原胞被離散為MXM正方形單元結構，M為正整數；將每個單元隨機配置所選定的聲學材料，此處僅考慮兩種材料，故採用二進位字符串形式表示；聲子晶體原胞設定為關於x、y軸對稱和關於z軸90°旋轉對稱模型。
3.根據權利要求1所述的基於遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓撲優化方法，其特徵在於:拓撲優化的目標設為第七能級和第六能級間帶隙(下面簡稱第六帶隙)相對值最大，即:
4.根據權利要求1所述的基於遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓撲優化方法，其特徵在於:用有限元法求解二維液-液聲子晶體所滿足的Hemholtz方程時，藉助多物理場耦合軟體COMSOL Multiphysics3.5a中的聲學模塊，根據問題的要求，對其腳本語言進行二次開發，得到matlab環境下的程序代碼,啟動COMSOL with MATLAB,從而可以求解Hemholtz方程，得到二維液-液聲子晶體頻散關係。
5.根據權利要求1所述的基於遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓撲優化方法，其特徵在於:所述步驟3)中，選擇是根據遺傳個體適應度值的大小，採用精英選擇與輪盤賭相結合機制；交叉操作採用平均交叉方式，隨機選擇染色體實施行交叉或列交叉，以增強算法的全局搜索能力；個體變異採用位變異機制。
全文摘要
本發明涉及一種基於遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓撲優化方法，用於解決根據對二維液-液聲子晶體帶隙要求，主動設計聲子晶體結構的技術問題。其首先選用二維正方晶格類型聲子晶體原胞，將聲子晶體原胞離散成M×M正方形單元結構；然後，根據二維液-液聲子晶體所滿足的Hemholtz方程，藉助多物理場耦合軟體COMSOL Multiphysics3.5a中的聲學模塊，對其腳本語言進行二次開發，得到matlab環境下的程序代碼，用於計算其帶隙；最後利用遺傳優化算法，根據對帶隙的要求，搜尋二維液-液聲子晶體原胞最優的材料布局。
文檔編號G06F17/50GK103246767SQ201310150440
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月26日 優先權日2013年4月26日
發明者吳斌, 劉宗發, 何存富 申請人:北京工業大學