[論文レビュー] On sound insulation of pyramidal lattice sandwich structure

Jie Liu, Tingting Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2018

Cellular and Composite Structures参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、実心ラティス棒を有するピラミッドラティスサンドイッチ構造（PLSSST）の音響透過損失（STL）を予測するための有限要素モデルを構築し、実験的に検証した。さらに、これを空洞ラティス構造（PLSSHT）に拡張した。パラメトリック解析により、ラティスの幾何形状—ピッチ角、厚さ、長さ、ラティス定数—がSTLに顕著な影響を与えることが判明し、低周波数帯域におけるSTLを約10%向上させる設計最適化戦略が導かれた。

ABSTRACT

Pyramidal lattice sandwich structure (PLSS) exhibits high stiffness and strength-to-weight ratio which can be effectively utilized for designing light-weight load bearing structures for ranging from ground to aerospace vehicles. While these structures provide superior strength to weigh ratio, their sound insulation capacity has not been well understood. The aim of this study is to develop numerical and experimental methods to fundamentally investigate the sound insulation property of the pyramidal lattice sandwich structure with solid trusses (PLSSST). A finite element model has been developed to predict the sound transmission loss (STL) of PLSSST and simulation results have been compared with those obtained experimentally. Parametric studies is then performed using the validated finite element model to investigate the effect of different parameters in pyramidal lattice sandwich structure with hollow trusses (PLSSHT), revealing that the pitching angle, the uniform thickness and the length of the hollow truss and the lattice constant have considerable effects on the sound transmission loss. Finally a design optimization strategy has been formulated to optimize PLSSHT in order to maximize STL while meeting mechanical property requirements. It has been shown that STL of the optimal PLSSHT can be increased by almost 10% at the low-frequency band. The work reported here provides useful information for the noise reduction design of periodic lattice structures.

研究の動機と目的

• 実験的および数値的手法を用いて、実心ラティス棒を有するピラミッドラティスサンドイッチ構造（PLSS）の音響遮断性能を調査すること。
• 分析を空洞ラティス構造（PLSSHT）に拡張し、音響透過損失（STL）に影響を与える幾何パラメータを同定すること。
• 機械的特性要件を満たしながらSTLを最大化する多目的最適化戦略を開発すること。
• 軽量構造用途に用いられる周期的ラティス構造のノイズ低減設計指針を提供すること。

提案手法

• 構造的・音響的結合を組み込んだ3次元有限要素モデル（FEM）を構築し、PLSSSTにおける音響透過損失（STL）のシミュレーションを実施した。
• FEM予測の正確性を確認するため、実験室環境でSTLを測定する実験的検証を実施した。
• 検証済みのFEMを用いて、PLSSHTのパラメトリックスタディを実施し、ラティスのピッチ角、厚さ、長さ、ラティス定数がSTLに与える影響を評価した。
• 機械的剛性および強度の制約を満たしつつSTLを最大化する多目的最適化フレームワークを構築した。
• 数値的手法を用いて、構造的整合性を損なわずに音響性能を向上させる最適な幾何パラメータを同定した。
• 最終的な設計は、特に低周波数帯域におけるSTL向上の観点から評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限要素モデルは、実心ラティス棒を有するピラミッドラティスサンドイッチ構造（PLSSST）の音響透過損失（STL）をどのように予測するか？
• RQ2 空洞ラティス棒を有するピラミッドラティスサンドイッチ構造（PLSSHT）のどの幾何パラメータが音響透過損失（STL）に最も顕著に影響を与えるか？
• RQ3 機械的性能要件を満たしながら、PLSSHTのSTLを最大化する設計最適化戦略を開発可能か？
• RQ4 最適化されたPLSSHT設計は、ベースライン構造と比較して、どの程度低周波数帯域の音響遮断性能を向上させ得るか？

主な発見

• 有限要素モデルはPLSSSTにおけるSTLを正確に予測しており、シミュレーション結果は実験測定値とよく一致している。
• PLSSHTにおける空洞ラティスのピッチ角、均一な厚さ、長さ、ラティス定数は、音響透過損失（STL）に顕著な影響を与える。
• パラメトリック解析により、これらの幾何パラメータを最適化することで、周波数スペクトル全体、特に低周波数帯域におけるSTLが向上することが明らかになった。
• 最適化されたPLSSHT設計は、ベースライン構造と比較して、低周波数帯域における音響透過損失をほぼ10%向上させた。
• 提案された最適化戦略は、音響性能と機械的要件の両立に成功しており、軽量で高剛性かつ騒音低減性に優れた構造的設計を可能にした。
• 本研究は、航空宇宙分野および地上車両用途に応用可能な、音響遮断性能を向上させた周期的ラティス構造の設計を検証済みフレームワークを提供した。