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比翱工程实验室丨用于宽频带缓解流致振动的共振超材料设计

ProAcoustics Prosynx 2023-02-13

Felipe Alves Pires、Luca Sangiuliano、Noé Geraldo Rocha de Melo Filho、Hervé Denayer、Wim Desmet、Claus Claeys
DMMS Lab Flanders Make / KU Leuven,Department of Mechanical Engineering, Division LMSD
Elke Deckers
DMMS Lab Flanders Make / KU Leuven,Diepenbeek Campus, Mechanical Engineering
原文:Resonant metamaterial designs for a broadband mitigation of flow-induced vibrations

来源:interNoise 2021

 
导读


共振超材料近几年来已成为难以解决的低频范围的轻量级和高性能噪声和振动解决方案。这些工程材料是通过将谐振元件组装到主体结构上而制成的。它们的相互作用导致可调谐的频率范围,称为阻带,在这些范围内它们可以胜过经典的噪声控制措施。然而,这些阻带具有有限的频率范围效应。为了拓宽阻带外的噪声和振动性能,本文提出了一种有限谐振超材料板的设计方法。两个规则间隔的谐振元件网格都添加到板上。在第一个网格中,谐振元件被调谐到相同的标称频率并实现阻带特性。在第二个网格中,通过优化程序找到每个谐振元件的调谐频率,目标是最小化阻带外板的动态响应。为了加速优化,采用了模型降阶和动态子结构化方法。这种有限共振超材料板设计的性能通过评估其由于宽带掠流激发引起的振动响应并将其与具有等效质量添加的板进行比较来进行数值分析。

 

在过去的几十年中,为了降低进入车辆和飞机舱室的噪音水平,以获得更好的噪音舒适性,人们特别关注降低由气流诱导振动引起的噪音[1–3]。由流致振动引起的噪声问题通常在低频范围内占主导地位,其中存在最高能量含量[4,5]。不同的噪音、振动和声振粗糙度(NVH)解决方案已经被研究来解决这个噪声问题[6-8]。然而,除了在较低频率范围内表现不佳之外,这些措施通常会导致笨重的NVH解决方案[9]。因此,需要寻求低质量和低体积措施,以在低频率下实现理想的NVH降低性能,同时确保轻量化设计。

 

事实上,局部共振超材料(LRMs:Locally Resonant Metamaterials)已被证明是一种很有前景的解决方案,可在明确定义的频率范围内减少声振系统[10, 11]的流动引起的NVH行为,称为阻带,这是不允许自由波传播的频率区[12]。可以通过在亚波长尺度上的主体结构上添加共振元件来实现[13]

 

尽管如此,这些阻带通常在有限的频率范围内具有积极影响,并且考虑到此类激励类型的宽带特性,需要使用其他技术来使LRM解决方案在阻带频率范围之外更有利地执行。为此,这项工作提出了一种在空气动力学激励下对LRM结构的宽带振动声学行为进行数值建模和优化的方法。为了实现这一目标,使用由两个规则间隔的谐振附加网格组成的板的有限元(FE)模型:(i)第一个网格包含调谐到相同标称频率的谐振元件,以实现阻带行为和(ii)对于第二个网格,通过优化找到每个谐振器的调谐频率,以减少阻带区域外主体结构的振动响应。为了加速优化过程,使用了模型降阶(MOR)方案,即Craig-Bampton方法[14]

 

为了说明研究中的空气动力学激励,在实验流设置中测量了由于掠流引起的频率相关压力波动,并将其用作数值模型中的力激励。鉴于未来的实验验证,选择这种方法来重现更真实的激发条件。

 

研究创新

该项研究提出了一种有限谐振超材料板(Finite Resonant Metamaterial Plate)的设计方法和一种对局部共振超材料(LRM)板进行数值建模和优化的方法,以实现对流致振动的宽带缓解。

 

图文快览


 1:钢板的材料特性 

图1:a) 麦克风阵列和b) 施加载荷的板的有限元网格的表示


2:在U=19 m/s的掠流激发下裸板的RMS PSD速度

 3:谐振器图案和可实现的单元的示意图

2:聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的材料特性

 

图4:a)谐振器设计b)谐振器的平面外弯曲模态,用于创建阻带和c)具有不同尺寸的谐振器的图示


5:单谐振器型(SRT)情况下的频散图,其中灰色阴影区域表示预测的阻带。还描绘了不可约布里渊轮廓的表示以及相应波空间的草图

6:板和谐振器的草图,用于模型降阶(MOR)的可视化表示。属于板的深绿色区域和谐振器灰色区域的节点的自由度被压缩。保留节点的自由度:连接区域(板上的浅绿色区域),施力位置(红点),单元格交叉点和谐振器的基极连接区

7:建立和优化共振超材料结构数值模型的主要步骤草图,以实现降低宽频带流致振动

 8:在U=19 m/s的掠流激励下,具有用于网格B的谐振器优化配置的裸板、SRT和板的RMS PSD速度比较。右侧说明了网格B的频率分布

 
结论
这项工作提出了一种对局部共振超材料板进行数值建模和优化的方法,以实现对流致振动的宽带缓解。为了解释这种激励,在实验流量测试台中测量了由于恒速掠流引起的频率相关压力波动,并将其用作数值模型的激励。

 

为了在超材料设置中实现宽带缓解,创建了该结构,以便存在两个规则间隔的共振附加网格,其中第一个网格包含调谐到标称频率以实现阻带行为的谐振器,而第二个网格包含调谐到不同频率的谐振器。通过优化找到第二个网格的频率,目的是减轻阻带外板的振动响应。为了加快优化过程,采用了Craig-bampton-MOR方案。

 

所得结果表明,优化的谐振器配置不仅在预测的阻带周围产生了强烈的减振效果,而且在阻带限制之外也产生了显著的减振效果,对于类似的质量添加,其减振效果超过了SRT情况。

 

参考文献

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