一种耐压五模胞元结构及其优化设计方法、五模式超材料与流程

本发明属于声学超材料，具体涉及一种耐压五模胞元结构及其优化设计方法、五模式超材料。

背景技术：

1、声学超材料由人工的微结构胞元组成，可实现自然界不存在的奇特声学性质，图1所示即为典型的声学超材料人工微结构，左侧为交错挡板结构，右侧为helmholtz共振腔结构。由于这些声学超材料胞元结构具有声学通道或声学空腔，一般不具有很强的耐压能力。除了图1给出的三种声学超材料微结构外，还有一种基于静态力学效应实现声波调控能量的声学超材料微结构，称为五模式微结构。五模式微结构具有优越的水声调控能力，可以应用于声学隐身衣等声学超结构设计，它能够引导声波绕过物体表面，减少声波的反射和散射。

2、一般为单相介质二维正六边形结构，如图2所示，图2左侧为正六边形的二维五模单胞结构，右侧为左侧的二维五模单胞结构纵向拉伸效果，正六边形中间为空腔，同样不具有很强的耐压能力。而对于声学隐身衣等声学超结构来说，其在水下工作时需要具有一定的耐压能力。例如公开号为cn115083385a的发明专利公开了一种兼具宽频隔声的金属水超材料，其采用六边形晶格构成的微结构，内部有空腔，虽然采用金属材料，但是其抗压性相对较弱，不利于水下作业等有耐压需求的工作环境。

3、当前，耐压五模胞元结构尚属罕见，因此，需要一种强各向异性的耐压五模胞元结构设计方法，以更好地适应声学隐身衣等声学超结构的耐压工作需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种耐压五模胞元结构及其优化设计方法、五模式超材料，用于解决现有的五模材料不能较好的适应耐压性需求的问题。

2、本发明第一方面，公开了一种耐压五模胞元结构，其特征在于，所述耐压五模胞元结构整体呈六棱柱形，包括六棱柱骨架、填充介质；

3、所述六棱柱骨架为中空结构，包括第一侧面、第二侧面和多个其他侧面，所述第一侧面和所述第二侧面为所述六棱柱骨架中一组相对的两个侧面；所述第一侧面和所述第二侧面的厚度相同，且均大于所述多个其他侧面的厚度；

4、所述填充介质填充设置在所述六棱柱骨架的中空结构中。

5、在以上技术方案的基础上，优选的，所述耐压五模胞元结构还包括多个质量块，所述多个质量块分别设置在所述六棱柱骨架内侧，且所述多个质量块的轴向分别与所述六棱柱骨架的轴向平行。

6、在以上技术方案的基础上，优选的，所述多个质量块分别设置在所述第一侧面和所述第二侧面上，且关于所述六棱柱骨架的纵向中心面对称设置。

7、在以上技术方案的基础上，优选的，所述六棱柱骨架和质量块的基材采用相同或不同的金属材料，包括tc4钛合金、45不锈钢或7075铝合金。

8、在以上技术方案的基础上，优选的，所述填充介质采用泊松比大于0.49的不可压缩的非金属，包括聚氨酯或橡胶。

9、本发明第二方面，在本发明第一方面的基础上，公开了一种耐压五模胞元结构优化设计方法，所述方法包括：

10、s1、确定五模胞元的设计目标，包括目标密度ρt，目标垂向声速ct1、目标横向声速ct2、耐压要求pr，以及声速设计精度要求ε；

11、s2、分别获取六棱柱骨架、质量块和填充介质的基材类型和物性参数；

12、s3、确定五模胞元的高度h；

13、s4、设置五模胞元的设计参数的初始值，所述设计参数包括五模胞元的宽度、第一侧面和第二侧面的边长、第一侧面和第二侧面的厚度，以及其他侧面的厚度；

14、s5、根据设计参数的初始值、目标密度ρt和五模胞元密度计算公式计算质量块的宽度m和厚度b；

15、s6、通过施加边界载荷的方式计算五模胞元的耐压性能p，如果p≥pr，则进入步骤s7；如果p<pr，利用优化算法优化当前设计参数，重新转入步骤s5；

16、s7、绘制五模胞元的频散曲线，计算当前的垂向声速ceff1及横向声速ceff2，并根据垂向声速ceff1及横向声速ceff2计算声速相对误差err，如果err<ε，输出五模胞元的设计参数；否则，利用优化算法优化当前设计参数，重新转入步骤s5，开始下一个迭代流程，直至err<ε。

17、在以上技术方案的基础上，优选的，所述五模胞元密度计算公式为：

18、

19、其中，ρt为五模胞元的目标密度，vb为六棱柱骨架所占体积，vm为质量块所占体积，vf为填充介质所占体积；ρb、ρm、ρf分别为六棱柱骨架、质量块和填充介质的密度。

20、在以上技术方案的基础上，优选的，所述绘制五模胞元的频散曲线，计算当前的垂向声速ceff1及横向声速ceff2具体包括：

21、分别绘制五模胞元垂向纵波模态频散曲线和横向纵波模态频散曲线；

22、通过计算垂向纵波模态频散曲线原点处的斜率，得到五模胞元的垂向声速ceff1：

23、

24、其中f1、k1分别为垂向纵波模态频散曲线的频率和波数；

25、通过计算横向纵波模态频散曲线原点处的斜率，得到五模胞元的横向声速ceff2：

26、

27、其中f2、k2分别为横向纵波模态频散曲线的频率和波数。

28、在以上技术方案的基础上，优选的，所述根据垂向声速ceff1及横向声速ceff2计算声速相对误差err的公式为：

29、

30、其中，ct1、ct2分别为目标垂向声速、目标横向声速。

31、本发明第三方面，公开一种五模式超材料，所述五模式超材料由本发明第一方面所述的耐压五模胞元结构周期性排列而成。

32、本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

33、1)本发明设计了一种由多相介质组成的强各向异性的耐压五模胞元结构，包括六棱柱骨架、多个质量块和填充介质，填充介质充满六棱柱骨架的中空结构中除多个质量块外的其他区域，无声学空腔，具有强耐压能力；

34、2)本发明的六棱柱骨架中，相对设置的第一侧面和所述第二侧面的厚度相同，且大于多个其他侧面的厚度，且六棱柱骨架、多个质量块和填充介质可采用不同材质，即该五模胞元由多相介质组成，具有更好的各向异性特性，可用于具有耐压能力的声学隐身衣等声学超结构设计。

35、3)本发明还提出一种耐压五模胞元结构优化设计方法，该方法以各向异性声速及各向同性密度为优化设计目标，以耐压性能为约束条件，求解五模胞元结构的设计参数，可以确保设计出来的五模胞元既具有预设的模量和密度，同时具有足够的耐压能力，且五模胞元可设计成横向和纵向声速差异较大，具有声速强各向异性特性。

技术特征：

1.一种耐压五模胞元结构，其特征在于，所述耐压五模胞元结构整体呈六棱柱形，包括六棱柱骨架(1)、填充介质(2)；

2.根据权利要求1所述的耐压五模胞元结构，其特征在于，所述耐压五模胞元结构还包括多个质量块(3)，所述多个质量块(3)分别设置在所述六棱柱骨架(1)的内侧，且所述多个质量块(3)的轴向分别与所述六棱柱骨架(1)的轴向平行。

3.根据权利要求2所述的耐压五模胞元结构，其特征在于，所述多个质量块(3)分别设置在所述第一侧面(11)和所述第二侧面(12)上，且关于所述六棱柱骨架(1)的纵向中心面对称设置。

4.根据权利要求2所述的耐压五模胞元结构，其特征在于，所述六棱柱骨架(1)和质量块(3)的基材采用相同或不同的金属材料，所述金属材料包括tc4钛合金、45不锈钢或7075铝合金。

5.根据权利要求1所述的耐压五模胞元结构，其特征在于，所述填充介质(2)采用泊松比大于0.49的不可压缩的非金属，所述非金属包括聚氨酯或橡胶。

6.基于权利要求2～5任一项所述的耐压五模胞元结构的一种耐压五模胞元结构优化设计方法，其特征在于，所述方法包括：

7.根据权利要求6所述的耐压五模胞元结构优化设计方法，其特征在于，所述五模胞元密度计算公式为：

8.根据权利要求6所述的耐压五模胞元结构优化设计方法，其特征在于，所述绘制五模胞元的频散曲线，计算当前的垂向声速ceff1及横向声速ceff2具体包括：

9.根据权利要求8所述的耐压五模胞元结构优化设计方法，其特征在于，所述根据垂向声速ceff1及横向声速ceff2计算声速相对误差err的公式为：

10.一种五模式超材料，其特征在于，所述五模式超材料由权利要求1～5任一项所述的耐压五模胞元结构周期性排列而成。

技术总结本发明公开了一种耐压五模胞元结构及其优化设计方法、五模式超材料，所述五模胞元结构整体呈六棱柱形，包括六棱柱骨架、填充介质和多个质量块；所述六棱柱骨架为中空结构，所述多个质量块分别设置在六棱柱骨架的内侧，所述填充介质填充设置在所述六棱柱骨架的中空结构中除多个质量块以外的区域。该五模胞元结构无声学空腔，具有强耐压能力和各向异性特性。在此基础上，本发明以各向异性声速及各向同性密度为优化设计目标，以耐压性能为约束条件，求解五模胞元结构的设计参数。所设计出来的五模胞元既具有预设的模量和密度，还具有足够的耐压能力，同时满足声速各向异性特性，可用于具有耐压能力的声学隐身衣等声学超结构设计。技术研发人员：张向东,黄贻苍,蔡玄,张安付,吴刚,徐子祈,沙彬彬受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一九研究所技术研发日：技术公布日：2024/1/22