[논문 리뷰] On topology optimization of acoustic metamaterial lattices for locally resonant bandgaps of flexural waves

Saeid Hedayatrasa, Kazem Abhary외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 16.

Acoustic Wave Phenomena Research참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 군형이나 위상 제약 조건 없이 굴절파에 대한 국소 공진 밴드 갭을 최대화하기 위해 이물질 음향 메타물질 격자판을 위한 다목적 위상 최적화 프레임워크를 제시한다. 강성과 유연한 재료의 분포를 최적화함으로써, 더 높은 밴드 갭 효율성, 강성 및 질량 감소를 달성하며, 뛰어난 동적 성능을 보이는 새로운 코어-쉘 유사 미세구조를 도입한다.

ABSTRACT

Optimized topology of bi-material acoustic metamaterial lattice plates is studied for maximized locally resonant bandgap of flexural guided waves. Optimized layout of the two relatively stiff and compliant material phases in the design domain is explored, free from any restrictions on the topology and shape of the relevant domains. Multiobjective optimization is performed through which maximized effective stiffness or minimized overall mass of the bandgap topology is additionally ensured. Extreme and selected intermediate optimized topologies of Pareto fronts are presented and their bandgap efficiencies and effective stiffness are compared. The bi-material constitution of selected topologies are further altered and modal band structure of resultant multilateral and porous designs are evaluated. Novel, core-shell like, locally resonant bandgaps are introduced. It is shown that how the bandgap efficiency and structural mass and/or stiffness can be optimized through optimized microstructural design of the matrix and the resonating core domains.

연구 동기 및 목표

• 굴절파에 대한 국소 공진 밴드 갭을 최대화하는 이물질 음향 메타물질 격자판을 위한 위상 최적화 방법을 개발하기 위해.
• 설계 영역 내 재료 상에 사전 정의된 형상 또는 위상 제약 조건을 제거하기 위해.
• 다목적 공식화를 통해 효과적 강성과 최소 구조 질량을 동시에 최적화하기 위해.
• 극단적 및 중간 파레토 최적 위상 간의 밴드 갭 효율성, 강성 및 질량을 평가하고 비교하기 위해.
• 이물질 구성 요소를 변경함으로써 다방향 및 다공성 설계를 도출하고, 이로 인한 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 설계 영역 내 재료 레이아웃을 반복적으로 진화시키기 위해 레벨셋 기반 위상 최적화 방법을 사용한다.
• 밴드 갭 너비를 최대화하고 질량을 최소화하거나 효과적 강성을 최대화하기 위해 다목적 최적화 문제를 수립한다.
• 유한요소 해석을 사용하여 밴드 구조를 계산하고 최적화된 위상의 동적 성능을 평가한다.
• 밴드 갭 효율성, 강성 및 질량 간의 상충 관계를 식별하기 위해 파레토 프론트를 생성하고 분석한다.
• 선택된 위상의 이물질 조성을 수정하여 다방향 및 다공성 구성 요소를 생성하고, 추가적인 성능 평가를 수행한다.
• 결과 설계의 모드 밴드 구조를 평가하여 공진 행동과 밴드 갭 특성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이물질 음향 메타물질 격자판의 위상은 굴절파에 대한 국소 공진 밴드 갭을 최대화하기 위해 어떻게 최적화될 수 있는가?
• RQ2 최적화된 격자 설계에서 밴드 갭 너비, 효과적 강성 및 구조 질량 간의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ3 제약 없는 위상 최적화를 통해 코어-쉘 유사 미세구조를 생성할 수 있는가? 이는 밴드 갭 성능 향상에 기여하는가?
• RQ4 재료 구성의 변화(예: 다방향 또는 다공성 설계)는 모드 밴드 구조와 밴드 갭 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 위상 최적화는 형상이나 위상에 대한 사전 가정 없이 격자판의 동적 성능을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제약 없는 레이아웃에서 강성과 유연한 재료를 전략적으로 분포시킴으로써 최적화된 위상은 밴드 갭 효율성을 크게 향상시킨다.
• 파레토 최적 해는 밴드 갭 너비, 효과적 강성 및 총 질량 간에 명확한 상충 관계를 보이며, 중간 설계는 균형 잡힌 성능을 제공한다.
• 위상 최적화를 통해 새로운 코어-쉘 유사 미세구조가 성공적으로 생성되었으며, 강력한 국소 공진 밴드 갭을 나타낸다.
• 이물질 구성 요소를 다방향 또는 다공성 설계로 변경함으로써 고유한 모드 밴드 구조가 도출되었으며, 이는 동적 반응의 조절 가능성을 확인한다.
• 최적화된 설계는 강성 대 질량 비율이 향상되어 굴절파 제어에 있어 효과적인 구조 효율성을 보여준다.
• 파레토 프론트의 극단적 위상은 설계 우선순위에 따라 최소 질량 또는 최대 강성으로 높은 밴드 갭 효율성을 달성할 수 있음을 시사한다.