[논문 리뷰] On sound insulation of pyramidal lattice sandwich structure

Jie Liu, Tingting Chen외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 06.

Cellular and Composite Structures참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고체 트러스를 갖춘 피라미드형 라이트 샌드위치 구조(PLSSST)의 음향 투과 손실(STL)을 예측하기 위한 유한요소모델을 개발하고, 이를 실험적으로 검증하며, 빈도 트러스 구현체(PLSSHT)로 확장한다. 매개변수 분석을 통해 트러스 기하학적 특성—기울기 각도, 두께, 길이, 격자 상수—가 STL에 상당한 영향을 미치는 것으로 밝혀져, 저주파수 대역에서 STL을 약 10% 향상시키면서 기계적 성능을 유지하는 설계 최적화 전략을 수립한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고체 트러스를 갖춘 피라미드형 라이트 샌드위치 구조(PLSS)의 음향 차음 성능을 수치적 및 실험적 방법을 통해 조사한다.
• 분석을 빈도 트러스 구현체(PLSSHT)로 확장하고, 음향 투과 손실(STL)에 영향을 미치는 기하학적 매개변수를 규명한다.
• 기계적 성능 요구사항을 충족시키면서 STL를 최대화하는 다목적 최적화 전략을 개발한다.
• 경량 공학 응용 분야에서 사용되는 주기적 라이트 구조의 소음 감소를 위한 설계 지침을 제공한다.

제안 방법

• PLSSST에서 음향 투과 손실(STL)을 시뮬레이션하기 위해 구조적 및 음향적 결합을 고려한 3차원 유한요소모델(FEM)을 개발한다.
• FEM 예측의 정확성을 확보하기 위해 실험실 환경에서 STL을 측정하는 실험적 검증을 수행한다.
• 검증된 FEM을 사용하여 PLSSHT에 대한 매개변수 연구를 수행하여 트러스 기울기 각도, 두께, 길이, 격자 상수가 STL에 미치는 영향을 평가한다.
• STL 최대화와 기계적 강성 및 강도 제약 조건을 동시에 고려한 다목적 최적화 프레임워크를 수립한다.
• 수치적 방법을 활용하여 음향 성능을 향상시키면서도 구조적 무결성을 해치지 않는 최적의 기하학적 매개변수를 규명한다.
• 최종 설계는 저주파수 대역에서의 STL 향상 여부를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한요소모델은 고체 트러스를 갖춘 피라미드형 라이트 샌드위치 구조(PLSSST)의 음향 투과 손실(STL)을 어떻게 예측하는가?
• RQ2 빈도 트러스 피라미드형 라이트 샌드위치 구조(PLSSHT)의 기하학적 매개변수 중 어떤 것이 음향 투과 손실(STL)에 가장 크게 영향을 미치는가?
• RQ3 기계적 성능 요구사항을 유지하면서 PLSSHT의 STL을 최대화할 수 있는 설계 최적화 전략을 개발할 수 있는가?
• RQ4 최적화된 PLSSHT 설계는 기준 구성에 비해 저주파수 대역에서 소음 차음 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 유한요소모델은 PLSSST에서 STL을 정확히 예측하며, 시뮬레이션 결과가 실험 측정값과 밀접하게 일치한다.
• PLSSHT의 빈도 트러스 기울기 각도, 균일한 두께, 길이, 격자 상수는 음향 투과 손실(STL)에 상당한 영향을 미친다.
• 매개변수 분석을 통해 이러한 기하학적 매개변수를 최적화하면 주파수 스펙트럼 전반에서 STL이 향상되며, 특히 저주파수 대역에서 두드러진다.
• 최적화된 PLSSHT 설계는 기준 구성에 비해 저주파수 대역에서 STL을 약 10% 향상시킨다.
• 제안된 최적화 전략은 음향 성능과 기계적 요구사항을 효과적으로 균형 잡으며, 경량, 고강성, 소음 감소 기능을 갖춘 구조 설계를 가능하게 한다.
• 본 연구는 항공우주 및 지상 차량 응용 분야에서 향상된 음향 차음 성능을 갖춘 주기적 라이트 구조 설계를 위한 검증된 프레임워크를 제공한다.