面向典型加筋圆柱壳体声辐射控制的多目标优化降噪研究

In recent years, using optimized design to reduce acoustic radiation of structures has become an important direction for acoustic research. For current acoustic radiation optimization problems, on one hand, people expect to achieve the lowest cavity SPL (sound pressure level) by changing structure parameters, on the other hand, people want to obtain best structural stiffness while avoid exceeding the original design weight of the structure. This kind of multi-objective and multi-constrain optimization problems require more complex design and optimization philosophy and algorithms. This project carries out acoustic radiation control and noise reduction optimization research of stiffened cylindrical shell structure. By applying MDO (multidisciplinary design optimization) technology in noise reduction design of cylindrical shell structure, the research takes acoustic pressure and power of field points as objective functions, structural dimensions and bone distribution as optimization objects, stiffness demand and the total weight of the structure as constraints to optimize the design with multi-objective and multi-constraint. A number of objectives are finally achieved while best acoustic radiation characteristics are obtained. At same time, combining with computer interface programs, a multi-objective optimization computing framework which can connect external acoustic models and different optimization algorithms is obtained by a secondary development on related acoustic software. These will provide a reliable design method to improve the acoustic performance of board-shell structures with multi-objective optimization and multi-constraint targets.

本项目拟开展的加筋圆柱壳体结构声辐射控制与优化设计研究，将为具有多优化目标和多约束条件的板-壳-声腔结构的腔内噪声的优化降除提供一种新的思路。通过将多学科优化设计技术应用于圆柱壳体结构的优化降噪设计中，将涉及到声学、结构力学内的优化问题相交叉，将场点声压、声功率等声学指标作为目标函数；结构尺寸参数、筋骨分布方式作为优化对象；刚度需求、结构总重量为约束条件进行多目标多约束的优化设计，最终得到在满足结构总重量最轻、结构声辐射水平最低、结构刚度最佳时，结构各部分的最优设计尺寸。以期为一般结构声学性能的改善提供一种可靠的设计方法。同时基于理论研究结果拟开发一种针对板-壳-声腔结构声辐射控制的多目标数值仿真优化计算框架，通过对相关声学软件进行二次开发结合计算机接口程序构建一个可外接不同声学模型，不同优化算法的多目标优化计算框架，这将为一般板-壳结构的腔内降噪问题提供有效的设计方法和参考。

近年来，利用优化设计降低结构声辐射成为声学研究的一个重要方向。本项目开展的加筋圆柱壳体结构声辐射控制与优化设计研究，为具有多优化目标和多约束条件的板-壳-声腔结构的腔内噪声的优化降除提供一种新的思路。最终的研究结果对于中频段腔内噪声水平的准确预测及中频段结构辐射噪声的多目标优化设计有着重要的理论指导价值。部分研究结果已在 Physics Letters B ，Journal of the Korean Physical Society, Chinese Physics Letters，物理学报等国际期刊发表学术论文13篇，其中第一作者及通讯作者SCI检索9篇，授权专利4项。联合培养硕士研究生2名。取得的重要进展有：（1）进行了有限元-统计能量混合法的修正，解决了混合法中低频区求解精度不高的问题。构建复杂加筋圆柱结构的混合仿真模型，进行腔内噪声预测。以仿真模型尺寸为标准加工试件进行声振测试，验证预测结果的准确性。结果表明在不同激励条件下，修正后的混合法预测结果能够较准确的反映中频区的声辐射规律。（2）以典型板-壳-声腔结构为研究对象，进行结构辐射声场的多目标优化设计。构建了分别以场点声压最低、结构总质量最小的优化数学模型；以修正后的混合法为理论基础，对结构仿真模型进行动态响应分析。（3）利用多学科优化设计平台集成声振分析软件，构建了一个可外接不同声学模型不同优化算法的多目标优化计算框架。（4）对复杂加筋圆柱结构辐射声场进行多目标优化设计。利用构建的优化计算框架进行设计计算。计算分析表明，在不同激励条件下对结构的尺寸进行优化后，腔内声压级水平均有一定程度的降低，腔室结构的声学性能得到了较好的改善。（5）对加筋圆柱壳体进行综合优化降噪设计。通过优化设计调整结构尺寸参数，使结构辐射噪声达到最小，降低低频段噪声；同时进行吸声降噪进行中高频段降噪处理，提出了结构优化+吸声材料的降噪方案，实现全频段的降噪效果。这种降噪方案比起单纯使用铺设吸声材料的降噪方法，有较为显著的降噪效果。