[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究构建了一个有限元模型，用于预测实心桁架金字塔点阵夹层结构（PLSSST）的隔声性能（STL），并通过实验验证了该模型，进一步将其扩展至空心桁架构型（PLSSHT）。参数分析表明，桁架几何参数——包括倾斜角、厚度、长度和点阵常数——显著影响STL，由此提出一种设计优化策略，使低频STL提升近10%，同时保持良好的机械性能。

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.

研究动机与目标

• 采用数值与实验方法，研究实心桁架金字塔点阵夹层结构（PLSS）的隔声性能。
• 将分析扩展至空心桁架构型（PLSSHT），识别影响隔声损失（STL）的关键几何参数。
• 提出一种多目标优化策略，以在满足机械性能要求的前提下最大化STL。
• 为轻质工程应用中周期性点阵结构的降噪设计提供指导原则。

提出的方法

• 构建三维有限元模型（FEM），用于模拟PLSSST中的隔声损失（STL），并考虑结构-声学耦合效应。
• 通过实验室实验装置测量STL，对FEM预测结果进行验证，确保其准确性。
• 利用验证后的FEM对PLSSHT开展参数研究，评估桁架倾斜角、厚度、长度和点阵常数对STL的影响。
• 构建多目标优化框架，结合STL最大化与机械刚度和强度的约束条件。
• 采用数值方法识别最优几何参数，以提升声学性能而不损害结构完整性。
• 对最终设计进行评估，重点分析其在低频段的STL提升效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限元模型如何预测实心桁架金字塔点阵夹层结构（PLSSST）的隔声损失（STL）？
• RQ2 空心桁架金字塔点阵夹层结构（PLSSHT）的哪些几何参数对隔声损失（STL）影响最为显著？
• RQ3 能否开发一种设计优化策略，在保持所需机械性能的前提下最大化PLSSHT的STL？
• RQ4 与基准构型相比，优化后的PLSSHT设计在低频段的隔声性能可提升多少？

主要发现

• 有限元模型能准确预测PLSSST的STL，仿真结果与实验测量值高度吻合。
• 空心桁架PLSSHT的倾斜角、均匀厚度、长度和点阵常数对隔声损失（STL）有显著影响。
• 参数分析表明，优化这些几何参数可提升整个频段的STL，尤其在低频段效果显著。
• 与基准构型相比，优化后的PLSSHT设计在低频范围内使隔声损失提升近10%。
• 所提出的优化策略成功平衡了声学性能与机械要求，实现了轻质、高刚度且具备降噪功能的结构设计。
• 本研究为航空航天及地面车辆应用中具有增强隔声性能的周期性点阵结构设计，提供了经验证的框架。