消声器声学特性的内部结构拓扑优化

论文摘要

噪声对人的健康和行为都会起到影响作用。通常对于不想要的或不需要的声音都可称之为噪声,这些不需要的声音会损害生理和心里健康。作为现代都市人城市中最主要的噪声污染来源为交通噪声,消声器是降低排气噪声的有效途径。目前,排气消声器系统的声学特性分析主要使用基于一维平面波理论的传递矩阵法、边界元以及有限元等三种方法。其中,有限元法相较于其它分析方法有其独有的优越性,所以在计算消声器的声学特性时候常常选用有限元法。结构优化设计是最近几十年新兴的一门学科,它通过将最优化技术向机械设计领域的移植和应用来进行机械结构优化设计。拓扑优化是机械结构优化的一种,其主要的优化算法移动渐近线法的方法和思想是:通过引入移动渐近线对结构的响应函数做一阶倒变量的泰勒展开,并实施凸线性规划将隐式问题显式化近似;这样原问题分离成一系列更为简单的严格凸的显式子优化问题;最后将子问题的解不断逼近最终解。通过对插入管消声器进行二维与三维有限元分析,它们的传递损失数值解之间虽说有误差,但是趋势相关——定性相符。造成误差的主要是因为实际上消声器都是三维实体且由于二维有限元无法考虑消声器的体积因素从而引起计算上的误差。讨论MATLAB可与COMSOL声学有限元分析之间的无缝连接和研究如何利用MATLAB计算一阶灵敏度。最后以二维有限元并结合一种基于梯度的优化算法——移动渐近线法来对简单膨胀腔消声器内部结构进行拓扑优化。接着在拓扑优化的基础上进一步研究了尺寸优化的方法。膨胀腔内部结构的变化会引起其传递损失的变化。联合COMSOL与MATLAB编程,数值计算结果表明在目标波数下优化后的消声器声学特性远优于简单膨胀腔消声器。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 消声器的国内外研究状况
• 1.1.1 消声器的国外研究动态
• 1.1.2 消声器的国内研究动态
• 1.2 拓扑优化与移动渐近线法
• 1.3 课题的意义
• 1.4 本文的主要研究工作
• 2 消声器的分类及性能评价
• 2.1 消声器的分类
• 2.1.1 阻性消声器
• 2.1.2 抗性消声器
• 2.1.3 复合式消声器
• 2.2 消声器的性能评价
• 2.2.1 消声器的声学性能
• 2.2.2 消声器空气动力性能
• 2.2.3 消声器的实际要求及使用材料发展
• 2.3 本章小结
• 3 插入管消声器的声学有限元
• 3.1 声学理论分析
• 3.1.1 状态方程
• 3.1.2 连续性方程
• 3.1.3 欧拉方程
• 3.1.4 Helmholtz 方程
• 3.2 插入管消声器的有限元分析
• 3.2.1 COMSOL 的声学模块
• 3.2.2 Helmholtz 的有限元形式
• 3.2.3 COMSOL 中消声器传递损失的计算
• 3.2.4 COMSOL 中的声学边界条件
• 3.2.5 插入管消声器的二维有限元分析
• 3.2.6 插入管消声器的三维有限元分析
• 3.3 某244s 摩托车消声器的三维有限元分析
• 3.4 本章小结
• 4 拓扑优化与 MATLAB
• 4.1 连续体拓扑优化
• 4.1.1 移动渐近线法
• 4.1.2 灵敏度分析
• 4.2 MATLAB 与COMSOL
• 4.3 FEM 结构体
• 4.4 有限元的节点坐标和节点编号
• 4.4.1 节点坐标
• 4.4.2 节点号
• 4.5 拓扑优化的设计域
• 4.6 单元的去与留
• 4.7 一阶灵敏度
• 4.7.1 有限差分法
• 4.7.2 直接差分法
• 4.7.3 伴随法
• 4.7.4 一阶灵敏度与MATLAB
• 4.8 本章小结
• 5 膨胀腔消声器的结构拓扑优化
• 5.1 简单膨胀腔消声器
• 5.2 拓扑优化及结果
• 5.3 尺寸优化及结果
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• B.作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果目录