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IJMSD|德国锡根大学张传增院士等:基于半解析无网格方法的声屏障性能分析及其材料分布优化

已有 1189 次阅读 2023-11-11 00:01 |个人分类:IJMSD|系统分类:论文交流

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图 文 导 读

该文亮点:

1. 发展了一种用于声屏障性能分析和材料分布优化的新型半解析无网格方法;
2. 建立了声学结构拓扑优化的Burton-Miller奇异边界法数学模型;
3. 实现了单频和宽频噪声下不同形状声屏障吸声材料的分布优化;
4. 提供了一种声屏障降噪性能优化的高效数值模拟手段。

Highlights:

1. A novel meshless method is proposed for the performance analysis and material distribution optimization of the sound barriers.
2. A mathematical model of the Burton-Miller-type singular boundary method is developed for the topology optimization of the acoustic structures.
3. The optimization of the material distribution for sound barriers of various shapes is conducted, considering both single-frequency and wideband noise scenarios.
4. An efficient numerical simulation tool is provided for optimizing the noise suppression performance of the sound barriers.

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图1 Graphical abstract

       随着我国各类汽车和高速交通工具的迅猛发展,交通噪声污染问题日益突出,严重影响人们的正常生活和身体健康。声屏障是一种用于减少噪音干扰的高效结构,其降噪性能主要取决于自身的形状、尺寸与材料分布,因此改善声屏障的降噪性能成为近年来的科研重点方向之一。在声屏障表面覆盖吸声材料可显著提高其降噪效果,但整体全覆盖不一定为最佳方案,且还需考虑用材量和成本等因素。因此,优化吸声材料分布可减少资源的耗费,也有助于成本的降低,同时在实际应用中取得更佳的噪音控制效果。

       青岛大学王发杰副教授团队与德国锡根大学张传增院士团队合作在《国际机械系统动力学学报(英文)》(International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD)发表题为“Performance analysis and material distribution optimization for sound barriers using a semianalytical meshless method”的研究论文。该文提出了一种新型半解析无网格配点法,用于分析各种类型声屏障的声学性能,并结合固体各向同性材料惩罚法优化了声屏障表面吸声材料的分布。优化采用的方法如下:将吸声材料的声学效应简化为声学阻抗边界条件,优化目标为给定参考平面上的最小声压值,将吸声材料的体积作为约束条件,节点所对应的密度作为设计变量,采用移动渐近线法更新设计变量。本文所发展的无网格方法以基本解作为插值基函数,具有半解析和高精度的特点。此外,该方法完全避免了传统网格类数值方法中的网格离散化过程,仅引进离散边界节点求解未知声学参量,不需要任何数值积分。最后,通过数值模拟实例验证了该方法的有效性和准确性。

Abstract: With the increase in car ownership, traffic noise pollution has increased considerably and is one of the most severe types of noise pollution that affects living standards. Noise reduction by sound barriers is a common protective measure used in this country and abroad. The acoustic performance of a sound barrier is highly dependent on its shape and material. In this paper, a semianalytical meshless Burton–Miller-type singular boundary method is proposed to analyze the acoustic performance of various shapes of sound barriers, and the distribution of sound-absorbing materials on the surface of sound barriers is optimized by combining a solid isotropic material with a penalization method. The acoustic effect of the sound-absorbing material is simplified as the acoustical impedance boundary condition. The objective of optimization is to minimize the sound pressure in a given reference plane. The volume of the sound-absorbing material is used as a constraint. The density of the nodes covered with the sound-absorbing material is used as the design variable. The method of moving asymptotes was used to update the design variables. This model completely avoids the mesh discretization process in the finite element method and requires only boundary nodes. In addition, the approach also does not require the singular integral calculation in the boundary element method. The method is illustrated and validated using numerical examples to demonstrate its accuracy and efficiency.

Keywords: sound barrier, acoustic analysis, material distribution optimization, semianalytical meshless method

DOI: 10.1002/msd2.12087

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Cite this article: Liu H, Wang F, Zhang C. Performance analysis and material distribution optimization for sound barriers using a semianalytical meshless method. Int J Mech Syst Dyn. 2023, 3(4). doi:10.1002/msd2.12087

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作 者 简 介

刘汉卿.jpg

刘汉卿 青岛大学机电工程学院硕士研究生,主要从事计算力学、振动与噪声控制方面的研究。



王发杰.jpg王发杰 青岛大学机电工程学院副教授,硕士生导师,担任青岛市力学学会监事长。主要从事计算力学、工程仿真、高性能计算软件平台开发等方面的研究工作,涉及领域包括复杂介质传热传质、振动噪声控制、断裂力学分析等。近年来发表学术论文80余篇(其中第一/通讯作者50余篇),多篇论文入选ESI高被引论文,论文总被引1500余次(Google scholar),H指数24i10指数为45。主持国家基金1项、省部级项目3项、企业横向课题4项,获德国DAAD-K.C.Wong Fellowships,获批计算机软件著作权4项,授权专利5项。

张传增.jpg张传增 德国锡根大学土木工程系结构力学教席C4教授,欧洲科学院院士,欧洲科学与艺术院院士,欧洲人文与自然科学院院士,斯洛伐克工业大学名誉博士,亚里士多德塞萨洛尼基大学名誉博士。主要从事的科研领域包括智能材料与结构力学、多功能梯度材料与结构力学、声学与弹性超材料力学、弹性动力学、断裂动力学、计算力学等。任3家国际期刊副主编,十余家国际期刊编委,在学术期刊和专业会议论文集发表学术论文850余篇,近五年来应邀做学术报告50余次,参与组织30多个国际学术会议,并先后为近60余种国际权威学术期刊评审稿件。截至2023114日,其学术论文的Google Scholar引用量为19085次,H指数为68i10指数为379

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期 刊 简 介

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IJMSD由来自18个国家的21位院士、17位国际学会主席、20位国际期刊主编等69位科学家和国际出版巨头美国Wiley出版社合作创办主编为国际机械系统动力学学会(International Society of Mechanical System Dynamics, ISMSD)主席、中国科学院院士、南京理工大学芮筱亭院士,3位合作主编为加拿大工程院院士、欧洲科学院院士、加拿大麦吉尔大学Marco Amabili院士,国际理论与应用力学联盟(International Union of Theoretical and Applied Mechanics, IUTAM)前司库、国际多体系统动力学协会(International Association for Multibody System Dynamics, IMSD)前主席、德国斯图加特大学Peter Eberhard教授和美国工程院及科学院院士、欧洲科学院外籍院士、英国皇家学会外籍院士、中国科学院外籍院士、美国工程科学协会前主席、美国西北大学Yonggang Huang

IJMSD旨在用机械系统动力学科学与技术为现代装备设计、制造、试验、评估和使用全生命周期性能的提升提供先进的理论、软件、方法、器件、标准,为全球科学家和工程专家提供广泛的机械系统动力学国际交流平台。IJMSD强调从“系统”视角及系统级工具理解动力学,所涉及的机械系统不仅包括各种不同尺度的机械系统和结构,还包括具有多物理场/多学科特征的综合机械系统。

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