一种圆形分层五模隐身衣优化设计方法技术

本发明专利技术涉及声学隐身技术领域，并提出了一种圆形分层五模隐身衣优化设计方法，包括以下步骤：S1、根据隐身衣设计要求，构造变换函数；S2、确定隐身衣径向分层离散结构，获得连续物性参数的设计值；S3、对分层后的隐身衣结构进行周向离散，并确定离散块数量；S4、确定层内单胞拓扑连接结构；S5、根据连续物性参数的设计值分别确定各层第一个单胞的结构尺寸；S6、将步骤S5获得的各离散块第一个单胞进行等比放大，并按步骤S4中确定的层内单胞拓扑连接结构进行连接，以填充离散块；S7、将填充好的各层内外侧进行层间拼接，获得最终离散块；S8、将最终离散块进行周向复制，直至形成闭环，获得隐身衣模型。衣模型。衣模型。

【技术实现步骤摘要】
一种圆形分层五模隐身衣优化设计方法


[0001]本专利技术涉及声学隐身
，尤其涉及一种圆形分层五模隐身衣优化设计方法。

技术介绍

[0002]对于水下航行器来说，隐身能力是其生命力的源泉，通过捕捉散射声波感知对象的主动声学探测技术对水下航行器造成了极大威胁。传统上，水下航行器通过敷设高分子吸声结构声学覆盖层来达到抑制声波散射效应、对抗主动声学探测手段的目的。高分子吸声结构低频吸声性能与厚度有关。厚度越大，低频声波在结构内部传播的路径越长、能量损耗越多，整体结构低频吸声性能越好。然而，对于实际应用来说，结构厚度不可能无限增大，导致低频吸声性能受到限制。为提高低频吸声性能，人们研究了在结构内部布设空腔，通过空腔共振实现对低频声波的吸收。然而，空腔的共振频率与其体积密切相关，体积越大，共振频率越低，吸声性能越好。考虑到耐压等实际因素，共振空腔不能设计过大。因此，布设空腔的方式仍然不能从根本上解决高分子吸声结构低频性能不佳的问题。由于上述原因，敷设传统声学覆盖层的水下航行器低频隐身性能不佳。
[0003]不同于传统声学覆盖层的吸声机理，声学隐身衣基于变换声学理论，通过设计声波传播路径实现抑制声波散射效应的目的，其对低频声波的控制能力远超传统吸声结构，具备大幅提升水下航行器低频隐身性能的潜力。此外，声学隐身衣在日常生活中也有重要的潜在应用价值。随着城市的发展，人类生存环境中的噪声污染问题日益突出，设计声学隐身衣并将其敷设于建筑物表面，可引导声波绕过建筑物传播，达到降低进入内部的声波能量，抑制噪声污染的目的。/>[0004]声学隐身衣主要分为惯性隐身衣与五模隐身衣，分别拥有各向异性密度与各向异性模量，都需要通过对隐身衣的微结构进行人工设计实现。针对惯性隐身衣，Torrent等人提出使用等效介质理论进行多层复合材料结构的惯性隐身衣设计方法，国内胡金、胡更开、程建春等人也陆续研究出新型惯性隐身衣结构。但惯性隐身衣有两个不足：一是难以做到宽频有效，二是重量厚度较大，这两点均较大程度地限制了惯性隐身衣的实际应用。而五模隐身衣不具有频率依赖性，可实现对任意频率声波的完美隐身，而且其各项异性模量可以通过微结构的设计实现，具有很大的设计灵活性和可实现性。但理想的五模材料要求其剪切模量为0，即B/G值（B：体积模量，G：剪切模量）为无穷大，这在现实中也是无法实现的。为解决此问题，研究人员提出采用较大B/G值、拥有一定剪切模量、能够稳定存在的五模材料来近似实现理想的五模材料，研究结果表明当B/G值足够大时，隐身衣的性能与理想的五模材料隐身衣近似，这为五模隐身衣的物理实现奠定了重要的理论基础。
[0005]针对五模隐身衣结构的设计，目前往往将其简化为对隐身衣单胞结构的设计，通过设计单胞结构并对单胞进行周期性排列与连接，从而得到五模隐身衣的整体结构。但实际应用中，单胞层数越多，隐身衣结构整体隐身性能越好。面对未知的单胞层数与单胞大小，现有研究人员往往逐层对单胞进行设计，这会导致设计周期的增加与资源的浪费。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提出了一种圆形分层五模隐身衣优化设计方法，针对现有设计方法的不足，提出基于参数离散的隐身衣结构设计方法，同时充分考虑结构的可加工性，大幅缩短设计周期的同时，得到可实际加工应用的宽频有效的五模隐身衣。
[0007]本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术提供了一种圆形分层五模隐身衣优化设计方法，包括以下步骤：S1、根据圆形隐身衣设计要求，构造变换函数，用于计算隐身衣模型的连续物性参数；S2、确定隐身衣模型的径向分层离散结构，并获得各层连续物性参数的设计值；S3、对分层后的隐身衣模型结构进行周向离散，并确定离散块数量；S4、选择周期性结构原胞基本构型，并确定各层内的单胞拓扑连接结构；S5、根据各层连续物性参数的设计值分别确定各层中单个离散块最靠近隐身衣中心的单胞的结构尺寸，并将该单胞作为该离散块的第一个单胞；S6、将步骤S5获得的各离散块第一个单胞进行等比放大，并按步骤S4中确定的层内单胞拓扑连接结构进行连接，以填充离散块；S7、将填充好的各层内外侧进行层间拼接，获得最终离散块；S8、将最终离散块进行周向复制，直至形成闭环，获得隐身衣模型。
[0008]在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S1中，连续物性参数包括密度ρ、径向刚度与切向刚度，分别表示为：
[0009]其中，和分别为周围背景流体的密度和体积模量，f为变换函数f(r)，是f(r)的导数，r为当前位置与隐身衣中心的距离。
[0010]进一步优选的，所述步骤S2中，还包括确定隐身衣模型离散分层层数N，各层厚度分别为，隐身衣的各项参数分别为内径a、外径b，且。
[0011]更进一步优选的，所述步骤S2中，第n层中间位置到圆柱中心的距离r
n
为：
[0012]其中，d
i
表示第一层到第n
‑
1层中，第i层的厚度，d
n
为第n层的厚度，通过r
n
以计算密度ρ、径向刚度与切向刚度的设计值。
[0013]更进一步优选的，所述步骤S4还包括在单个离散块内，按从内到外填充M个单胞，各单胞长度分别为，单胞长度由内向外按等比级数递增，增长比例为λ，且λ>1，其中第m个单胞的长度为：
[0014]层厚与层内各单胞长度总和相等，表示为：；将依次填充至离散块内，获得与层厚d
n
相等的离散块。
[0015]在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S3还包括，在满足加工性能要求的前提下，将离散块数量设置为最大，则每块离散块对应弧度均为：
[0016]通过弧度调整单胞，使单胞可绕隐身衣周向进行连接。
[0017]更进一步优选的，所述步骤S4中，根据密度ρ、径向刚度、切向刚度以及层厚与层内各单胞长度总和相等来确定第n层中，填充单胞的数量，再通过m个单胞的长度确定第一个单胞的长度。
[0018]在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S5中，采用单胞宏观等效力学性质计算方法计算各层第一个单胞的结构尺寸，所述单胞宏观等效力学性质计算方法包括解析法、均匀化方法以及频散曲线等效法的其中一种。
[0019]在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S2中，对隐身衣物性参数进行分层离散时，采用优化计算法与直接分层法的其中一种。
[0020]更进一步优选的，所述步骤S1中的变换函数f（r）为线性变换函数：
[0021]其中，c为隐身系数。
[0022]本专利技术的圆形分层五模隐身衣优化设计方法相对于现有技术具有以下有益效果：（1）通过设置本方法基于变换声学理论设计隐身衣结构整体物性参数，通过径向分层、周向离散方法，将隐身衣整体结构设计转化为单胞结构设计及其拓扑连接方式设计，保证隐身衣整体性能的同时，降低设计难度，缩短设计周期，实现宽频有效的五模隐身衣结构设计；（2）本方法通过在满足加工性能要求的前提下，将离散块数量设置为最大值，从隐身衣整体隐身性能出发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据圆形隐身衣设计要求，构造变换函数，用于计算隐身衣模型的连续物性参数；S2、确定隐身衣模型的径向分层离散结构，并获得各层连续物性参数的设计值；S3、对分层后的隐身衣模型结构进行周向离散，并确定离散块数量；S4、选择周期性结构原胞基本构型，并确定各层内的单胞拓扑连接结构；S5、根据各层连续物性参数的设计值分别确定各层中单个离散块最靠近隐身衣中心的单胞的结构尺寸，并将该单胞作为该离散块的第一个单胞；S6、将步骤S5获得的各离散块第一个单胞进行等比放大，并按步骤S4中确定的层内单胞拓扑连接结构进行连接，以填充离散块；S7、将填充好的各层内外侧进行层间拼接，获得最终离散块；S8、将最终离散块进行周向复制，直至形成闭环，获得隐身衣模型。2.如权利要求1所述的圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于：所述步骤S1中，连续物性参数包括密度ρ、径向刚度与切向刚度，分别表示为：；其中，和分别为周围背景流体的密度和体积模量，f为变换函数f(r)，是f(r)的导数，r为当前位置与隐身衣中心的距离。3.如权利要求2所述的圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，还包括确定隐身衣模型离散分层层数N，各层厚度分别为，隐身衣的各项参数分别为内径a、外径b，且。4.如权利要求3所述的圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，第n层中间位置到圆柱中心的距离r
n
为：；其中，d
i
表示第一层到第n
‑
1层中，第i层的厚度，d
n
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄贻苍，张向东，蔡玄，李巧娇，吴刚，宋清华，丰星星，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：