联合制造技术

本发明专利技术的联合

【技术实现步骤摘要】
联合NSGA
‑Ⅱ
与有限元仿真的水声换能器设计方法


[0001]本专利技术属于水声换能器工程
，特别涉及一种联合
NSGA
‑Ⅱ
与有限元仿真的水声换能器设计方法
。

技术介绍

[0002]众所周知，水声换能器
(
文中简称“换能器”)
是一种涉及电力声等多种能量转换形式，且包含了电学
、
结构力学及声学等多物理耦合的水下声辐射器件，如复合棒换能器
、
球型换能器与圆管型换能器等，而对某种类型换能器来说，其设计变量一般为结构尺寸
、
材料参数及预应力大小
(
依靠设计人员经验，数值模型较难
)
等，而对其评价指标分为发射响应曲线
、
辐射声源级
、
输入功率
、
质量
、
工作频率
、
指向性函数及阻抗曲线等
。
近年来，随着换能器的精益化设计，对其设计输入不再仅局限于质量或发射响应曲线等某单个评价指标，可能同时涉及多个可能存在着相互制约或成就的内在关系指标参数，例如，为追求优良的低频段发射电压响应等声辐射性能，可调整增加换能器各部分的结构尺寸
、
或材料密度等方式，实现增加其质量，根据振动谐振频率计算公式，其振动频率则越低，低频段的发射响应等评价指标会得到优化，而换能器体积增加，则可能导致适装性降低的同时也会使得有源材料的应变降低等，其辐射声源级可能降低；因此从全局出发，为完成兼顾多种评价指标的水声换能器设计，亟待一种针对水声换能器不同指标的多目标优化设计方法，科学地协调与折衷考虑换能器多个评价指标并完成换能器设计
。
[0003]为实现水声换能器多目标优化设计，首先须建立设计变量与评价指标间的联系，即可预测换能器相关性能的数学模型，常规思路是采用基于本构方程的连续数学模型，即换能器的数值模型，而振动特性复杂或新型换能器的数值模型建立较为困难，因此，通用性不强且难以反映预应力大小对评价指标的影响
。

技术实现思路

[0004]本申请的专利技术目的是克服现有技术的缺陷，而提供一种联合
NSGA
‑Ⅱ
与有限元仿真的水声换能器设计方法，它针对两个及以上评价指标参数
(
辐射声源级
、
输入功率
、
质量
、
工作频率
、
发射电压响应曲线
、
指向性函数及阻抗曲线等
)
的水声换能器优化设计问题，利用多目标优化思想与计算机，对水声换能器的关键尺寸集合
、
施加的预应力数值及各组件材料组合完成优化设计，得到满足设计输入的水声换能器模型，节约科研人员设计时间
。
[0005]为了完成本申请的专利技术目的，本申请采用以下技术方案：
[0006]本专利技术的一种联合
NSGA
‑Ⅱ
与有限元仿真的水声换能器设计方法，其中：包括如下步骤：
[0007](
一
)、
建立有限元仿真模型
[0008]将水声换能器的几何结构
、
材料参数和预应力作为有限元仿真模型的设计变量，通过电场和固体力学场
、
声场和边界条件的设置，得到目标函数即：水声换能器的辐射声源级
、
发射电压相应
、
输入功率
、
阻抗和质量中的至少二个；
[0009](
二
)、
用
NSGA
‑
II
多目标算法，对水声换能器进行优化包括以下步骤：
[0010](1)、
设置
NSGA
‑
II
多目标算法的参数，即设置：种群数
m、
遗传代数
n
和交叉系数
q
，并设置初始次数
Q
＝0；
[0011](2)、NSGA
‑
II
多目标算法从用户给出的设计变量：水声换能器的几何结构
、
材料参数和预应力的范围内，选取其中的一组设计变量的数值，并且计数次数
Q
＝
Q+1
；
[0012](3)、
将步骤
(2)
选取的一组设计变量的数值输入到有限元仿真模型中，得到相应的目标函数，将目标函数与约束条件进行对比，约束条件具有与目标函数对应的项目及数量，当目标函数满足约束条件与
NSGA
‑
II
算法要求时，将上述设计变量和得到的目标函数作为一组数值输出到
Pareto
最优解集中；同时比较次数
Q,
当次数
Q<
循环次数
k
时，返回步骤
(2),
重新选取其中的一组设计变量的数值来计算其对应的目标函数；当次数
Q>
循环次数
k
时，结束对水声换能器进行优化处理，得到
Pareto
最优解集
。
[0013]本专利技术的一种联合
NSGA
‑Ⅱ
与有限元仿真的水声换能器设计方法，其中：所述循环次数
k
＝
(
种群数
m*
遗传代数
n)+1。
[0014]本专利技术的一种联合
NSGA
‑Ⅱ
与有限元仿真的水声换能器设计方法，其中：所述有限元仿真模型的建立包括以下步骤：
[0015](I)、
将水声换能器的几何结构
、
材料参数和预应力作为设计变量输入到有限元仿真模型中；
[0016](II)、
以水声换能器的外形为基准，在水声换能器的外侧
、
以水声换能器最大尺寸2‑3倍的范围为水声换能器建立一个水域，以不大于水的
1/6
波长的网格在水声换能器和该水域内画出若干个网格；
[0017](III)、
通过设置水声换能器电场和固体力学场
、
声场和预应力的边界条件，完成有限元模型的设置；
[0018]其中：水声换能器电场和固体力学场的压电耦合有限元控制方程为公式
(1)
：
[0019][0020]其中：
M
为每个网格的质量矩阵
、C
为每个网格的结构阻尼矩阵
、K
为每个网格的结构刚度矩阵
、K
Z
为每个网格的压电耦合矩阵
、K
d
为每个网格的介质电导矩阵
、
ξ
为每个网格的结构振动位移
、V
为每个网格的驱动电压...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种联合
NSGA
‑Ⅱ
与有限元仿真的水声换能器设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
(
一
)、
建立有限元仿真模型将水声换能器的几何结构
、
材料参数和预应力作为设计变量并建立有限元仿真模型，通过有限元仿真模型的电场和固体力学场
、
声场和预应力的边界条件设置，得到目标函数即：水声换能器的辐射声源级
、
发射电压相应
、
输入功率
、
阻抗和质量中的至少二个
(
二
)、
用
NSGA
‑
II
多目标算法，对水声换能器进行优化包括以下步骤：
(1)、
设置
NSGA
‑
II
多目标算法的参数，即设置：种群数
m、
遗传代数
n
和交叉系数
q
，并设置初始次数
Q
＝0；
(2)、NSGA
‑
II
多目标算法从用户给出的设计变量：水声换能器的几何结构
、
材料参数和预应力的范围内，选取其中的一组设计变量的数值，并且计数次数
Q
＝
Q+1
；
(3)、
将步骤
(2)
选取的一组设计变量的数值输入到有限元仿真模型中，得到相应的目标函数，将目标函数与约束条件进行对比，约束条件具有与目标函数对应的项目及数量，当目标函数满足约束条件与
NSGA
‑
II
算法要求时，将上述设计变量和得到的目标函数作为一组数值输出到
Pareto
最优解集中；同时比较次数
Q,
当次数
Q<
循环次数
k
时，返回步骤
(2),
重新选取其中的一组设计变量的数值来计算其对应的目标函数；当次数
Q>
循环次数
k
时，结束对水声换能器进行优化处理，得到
Pareto
最优解集
。2.
如权利要求1所述的联合
NSGA
‑Ⅱ
与有限元仿真的水声换能器设计方法，其特征在于：所述循环次数
k
＝
(
种群数
m*
遗传代数
n)+1。3.
如权利要求2所述的联合
NSGA
‑Ⅱ
与有限元仿真的水声换能器设计方法，其特征在于：所述有限元仿真模型的建立包括以下步骤：
(I)、
将水声换能器的几何结构
、
材料参数和预应力作为设计变量输入到有限元仿真模型中；
(II)、
以水声换能器的外形为基准，在水声换能器的外侧
、
以水声换能器最大尺寸2‑3倍的范围为水声换能器建立一个水域，以不大于水的
1/6
波长的网格在水声换能器和该水域内画出若干个网格；
(III)、
通过设置水声换能器电场和固体力学场
、
声场和预应力的边界条件，完成有限元模型的设置；其中：水声换能器的电场和固体力学场的压电耦合有限元控制方程为公式
(1)
：其中：
M
为每个网格的质量矩阵
、C
为每个网格的结构阻尼矩阵
、K
为每个网格的结构刚度矩阵
、K
Z
为每个网格的压电耦合矩阵
、K
d
为每个网格的介质电导矩阵
、
ξ
为每个网格的结构振动位移
、V
为每个网格的驱动电压
、F
为每个网格的结构载荷向量矩阵
、q
为每个网格的电载荷向量；其中：水声换能器声场的流固耦合有限元方...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊翰林，张希，赵勰，沈国栋，凌征成，段炼，陈勃君，陈诚，
申请(专利权)人：昆明船舶设备研究试验中心中国船舶集团有限公司七五，
类型：发明
国别省市：