本发明专利技术涉及一种基于遗传算法和有限元法的液-液声子晶体拓扑优化方法，用于解决根据对二维液-液声子晶体带隙要求，主动设计声子晶体结构的技术问题。其首先选用二维正方晶格类型声子晶体原胞，将声子晶体原胞离散成M×M正方形单元结构；然后，根据二维液-液声子晶体所满足的Hemholtz方程，借助多物理场耦合软件COMSOL?Multiphysics3.5a中的声学模块，对其脚本语言进行二次开发，得到matlab环境下的程序代码，用于计算其带隙；最后利用遗传优化算法，根据对带隙的要求，搜寻二维液-液声子晶体原胞最优的材料布局。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属声带隙材料设计领域，涉及一种声带隙材料拓扑优化设计方法，特别涉及一种基于遗传算法和有限元法，对二维液-液声子晶体原胞材料分布进行拓扑优化设计，以获得所需要的带隙特征。
技术介绍
声子晶体是指具有不同声学特性的材料按周期性复合在一起、具有声波带隙的周期复合材料。当声波在受到材料常数的周期性调制时，可能会产生声带隙，即一定频率范围的声波的传播被抑制或禁止。声子晶体的这种特性具有极大的理论意义，在无源隔音、声滤波器等新型声学功能材料等方面具有广泛的应用前景。在上述应用中，声子晶体绝对带隙的存在与否及带隙大小都非常重要；而且，带隙越大，其应用价值就越高。所以，寻求最大禁带声子晶体结构，一直是声子晶体理论研究的重点。传统的声子晶体设计思路一般是:在特定的晶格类型(正方晶格、三角晶格等)条件下，采用有限的几种对称图形(如二维问题中，采用圆柱、正方柱等)作为原胞的散射体，通过调整这些散射体的几何参数以及散射体和基体材料参数来打开声子晶体带隙或改善带隙的特性，进而经验性地提炼可能的设计规律，然后指导性地寻找更好的声子晶体新结构。然而，对何种形式的声子晶体原胞结构具有所期望的最优带隙，仅根据经验性的总结和直觉性的预测，则是一个难以实现的问题，这在很大程度上束缚了人们对声子晶体的应用。
技术实现思路
为了克服现有的声子晶体设计分析方法的不足，本专利技术提出一种，根据对二维液-液声子晶体带隙的要求，自动寻找对应的声子晶体材料最优布局，得到具有最优带隙特性的新颖的声子晶体结构，使其达到最好的技术经济性能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:用有限元法计算二维液-液声子晶体的频散关系，获取相应的带隙值；然后应用遗传优化算法，根据带隙所要达到目标，搜索声子晶体最优材料拓扑布局。其特点是包括以下步骤:I)初始化:随机生成N_个二进制数表示的染色体(个体)构成初始种群。2)计算个体适应度:采用有限元法，计算每个遗传个体对应的声子晶体原胞的能带，得到对应的禁带数值。根据优化的目标，用声子晶体禁带构造目标函数，即:拓扑优化的目标设为第七能级和第六能级间带隙(下面简称第六带隙)相对值最大: 权利要求1.，用有限元法计算二维液-液声子晶体的频散关系，获取相应的带隙值；然后应用遗传优化算法，根据带隙所要达到目标，搜索声子晶体最优材料拓扑布局；其特征在于:包括以下步骤: 1)初始化:随机生成N_个二进制数表示的染色体，即个体，构成初始种群； 2)计算个体适应度:二维液-液声子晶体满足Hemholtz方程:2.根据权利要求1所述的，其特征在于:遗传个体对应的声子晶体原胞为正方晶格；声子晶体原胞被离散为MXM正方形单元结构，M为正整数；将每个单元随机配置所选定的声学材料，此处仅考虑两种材料，故采用二进制字符串形式表示；声子晶体原胞设定为关于x、y轴对称和关于z轴90°旋转对称模型。3.根据权利要求1所述的，其特征在于:拓扑优化的目标设为第七能级和第六能级间带隙(下面简称第六带隙)相对值最大，即:4.根据权利要求1所述的，其特征在于:用有限元法求解二维液-液声子晶体所满足的Hemholtz方程时，借助多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics3.5a中的声学模块，根据问题的要求，对其脚本语言进行二次开发，得到matlab环境下的程序代码,启动COMSOL with MATLAB,从而可以求解Hemholtz方程，得到二维液-液声子晶体频散关系。5.根据权利要求1所述的，其特征在于:所述步骤3)中，选择是根据遗传个体适应度值的大小，采用精英选择与轮盘赌相结合机制；交叉操作采用平均交叉方式，随机选择染色体实施行交叉或列交叉，以增强算法的全局搜索能力；个体变异采用位变异机制。全文摘要本专利技术涉及一种，用于解决根据对二维液-液声子晶体带隙要求，主动设计声子晶体结构的技术问题。其首先选用二维正方晶格类型声子晶体原胞，将声子晶体原胞离散成M×M正方形单元结构；然后，根据二维液-液声子晶体所满足的Hemholtz方程，借助多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics3.5a中的声学模块，对其脚本语言进行二次开发，得到matlab环境下的程序代码，用于计算其带隙；最后利用遗传优化算法，根据对带隙的要求，搜寻二维液-液声子晶体原胞最优的材料布局。文档编号G06F17/50GK103246767SQ201310150440公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月26日 优先权日2013年4月26日专利技术者吴斌, 刘宗发, 何存富 申请人:北京工业大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于遗传算法和有限元法的液?液声子晶体拓扑优化方法，用有限元法计算二维液?液声子晶体的频散关系，获取相应的带隙值；然后应用遗传优化算法，根据带隙所要达到目标，搜索声子晶体最优材料拓扑布局；其特征在于：包括以下步骤：1)初始化：随机生成Npop个二进制数表示的染色体，即个体，构成初始种群；2)计算个体适应度：二维液?液声子晶体满足Hemholtz方程：▿·(-1ρ▿p)-ω2pρcs2=0---(1)式(1)中，ρ为液体材料密度、p为声压、ω是角频率,cs是液体中声波声速；用有限元法求解该方程组，即可得到液?液声子晶体频散关系及其对应的禁带数值；根据优化的目标，用声子晶体禁带构造目标函数，然后以目标函数值来度量遗传个体的适应度；3)依次执行选择、交叉和变异遗传操作生成下一代种群，使种群向前进化；4)检验种群是否满足停止条件，满足则输出最优结果,退出；否则返回步骤2)。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴斌，刘宗发，何存富，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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