本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于球單元的產(chǎn)品吸聲降噪的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具備輕質(zhì)、多功能和可設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，具有高比強(qiáng)度、高比剛度、高強(qiáng)韌、高能量吸收等優(yōu)良機(jī)械性能，以及減震、散熱、吸聲、電磁屏蔽、滲透性等特殊性質(zhì)，從而具有廣泛的應(yīng)用前景。多孔材料具有吸聲作用主要是由于其內(nèi)部具有大量彼此連通的微孔或間隙，且通過(guò)表面與外界相通。多孔材料的吸聲是一種物理過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換，其吸聲機(jī)制主要包括：材料本身的阻尼衰減、滲流在孔隙間的熱彈性壓縮膨脹、與孔壁摩擦的黏滯耗散以及流過(guò)邊角所產(chǎn)生的渦等。

聲波進(jìn)入多孔材料后引起空氣振動(dòng)，由于振動(dòng)受到曲折孔隙壁的阻擋，空氣與孔隙壁發(fā)生摩擦和黏滯使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能耗散；孔中的空氣和孔壁之間的熱交換引起的熱損失，也使聲能衰減，造成能量損失。不同孔隙尺寸、孔隙度的多孔材料對(duì)聲波傳播的影響及吸聲特性有很大差別。孔隙較大時(shí)，聲波進(jìn)入后不容易發(fā)生二次或多次反復(fù)碰撞，因而能量損失較少。但當(dāng)孔隙細(xì)小時(shí)，聲波發(fā)生多次碰撞的可能性增加，每次反射、折射都要消耗一定能量。因此孔徑小的多孔材料比孔徑大的吸收的能量多。但孔徑尺寸也不能過(guò)小，因?yàn)榇蟛糠致暡ㄓ锌赡茉谖催M(jìn)入材料前即已反射，因此要合理選擇孔徑尺寸以達(dá)到吸聲效果。

3D打印，也叫快速成形技術(shù)、增材制造技術(shù),原理是將三維的實(shí)體的數(shù)字模型(CAD文件)離散化成切片模型，再將切片模型轉(zhuǎn)化為打印頭的行走軌跡，通過(guò)打印頭將材料不斷添加到打印件上去，這樣材料就按照打印軌跡不斷的被添加，逐層打印起來(lái)，就形成了最終的實(shí)體打印件。與傳統(tǒng)制造業(yè)的“減材制造技術(shù)”不同，3D打印遵從的是加法原則，可以直接將計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為模型，直接制造零件或產(chǎn)品，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床；同時(shí)直接將虛擬的數(shù)字化實(shí)體模型轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品，極大地簡(jiǎn)化了生產(chǎn)的流程，降低了材料的生產(chǎn)成本，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)周期，使得生產(chǎn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件成為可能，也是實(shí)現(xiàn)材料微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的可設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段。

3D打印耗材包括：塑料、橡膠、金屬、粉末、尼龍、薄膜、樹脂、石蠟、石膏、尼龍絲、鈦合金、陶瓷等不同材料。3D打印技術(shù)將使得商品的生產(chǎn)制造進(jìn)入全新的階段，生產(chǎn)的組織方式也會(huì)更加扁平化，而它潛在的對(duì)生產(chǎn)的巨大解放，能夠極大提高我們社會(huì)生產(chǎn)效率。

球具有優(yōu)良的力學(xué)性能，數(shù)學(xué)表達(dá)精簡(jiǎn)，其結(jié)構(gòu)的特殊性，可以將應(yīng)力集中處的極高應(yīng)力通過(guò)球與球間的接觸分散。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于球單元的產(chǎn)品吸聲降噪的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

(1)定義設(shè)計(jì)域、載荷和邊界條件；

(2)對(duì)產(chǎn)品區(qū)域劃分有限元網(wǎng)格，同時(shí)初始化各變量；

(3)利用基于均勻化計(jì)算理論結(jié)合結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)和材料構(gòu)型設(shè)計(jì)、以聲輻射功率為目標(biāo)的優(yōu)化模型，對(duì)產(chǎn)品各單元進(jìn)行有限元分析，利用模型構(gòu)造出最優(yōu)的吸聲降噪的多孔結(jié)構(gòu)；

(4)在產(chǎn)品的指定的位置填充球單元或球單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而構(gòu)造出最優(yōu)的吸聲降噪的多孔結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品具有良好的吸聲降噪性能；

(5)對(duì)設(shè)計(jì)好內(nèi)部結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)要求的工況下進(jìn)行有限元分析，得出部件的應(yīng)力分布與力學(xué)性能相關(guān)的參數(shù)；

(6)對(duì)步驟(5)獲得的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、歸納整理，得到系統(tǒng)性、綜合性的力學(xué)問(wèn)題和優(yōu)化導(dǎo)向，通過(guò)改變球單元的材料、結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品所需的強(qiáng)度要求；

(7)對(duì)步驟(6)中設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析和相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證部件是否滿足設(shè)計(jì)需求。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述步驟(3)中，通過(guò)JCA模型構(gòu)造出最優(yōu)的吸聲降噪的多孔結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述球單元或球單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括實(shí)心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼、半球或球體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述步驟(7)中，包括如下步驟：

(71)通過(guò)常規(guī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試3D打印出的產(chǎn)品的基本物理機(jī)械性能；

(72)按照部件在實(shí)際工作中的工況搭建微縮的試驗(yàn)平臺(tái)，從零逐漸增加載荷，在試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加載試驗(yàn)，采用電阻應(yīng)變片法測(cè)試不同載荷條件下部件的變形分布以及變形量變化情況；

(73)將步驟(71)中測(cè)量的部件的基本物理機(jī)械性能以及基本物理機(jī)械性能種類與步驟(72)中的不同載荷條件作為基本輸入值，采用有限元分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品的受力模擬分析；將模擬的變量分析結(jié)果與步驟(72)中實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，符合度大于90％則進(jìn)行下一步，否則返回到(73)調(diào)整基本物理機(jī)械性能種類及載荷條件，再次進(jìn)行模擬分析，直到理論和試驗(yàn)符合度達(dá)到要求；

(74)將步驟(73)中調(diào)整好的載荷條件、基本物理機(jī)械性能種類和(71)中的材料基本物理機(jī)械性能作為輸入?yún)?shù)，采用有限元分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品受力模擬分析，從零開始增加載荷力的大小，模擬分析出產(chǎn)品的強(qiáng)度，即可推演出相應(yīng)產(chǎn)品在實(shí)際工況下不會(huì)變形過(guò)大而失效，能夠承受得住相應(yīng)的載荷。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述步驟(71)中，基本物理機(jī)械性能包括：抗拉強(qiáng)度、彈性模量、布氏硬度、泊松比、屈服強(qiáng)度、切線模量和密度。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(72)、(73)、(74)中所述的載荷條件指的是施加載荷力的大小、力的方向、力的作用點(diǎn)和力的分布情況。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，將改進(jìn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立相應(yīng)的球心的三維位置、球心半徑的結(jié)構(gòu)矩陣，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)算法，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行量化生產(chǎn)。

本發(fā)明的有益效果是：通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法構(gòu)造出的最優(yōu)的吸聲降噪結(jié)構(gòu)，通過(guò)在產(chǎn)品內(nèi)通過(guò)填充球單元及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造最優(yōu)的吸聲降噪結(jié)構(gòu)，在滿足最優(yōu)吸聲降噪性能的前提下通過(guò)改變球單元的結(jié)構(gòu)屬性可以滿足產(chǎn)品的外部應(yīng)力需求，在應(yīng)力集中的地方增大內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)產(chǎn)品的吸聲降噪性能。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的方法框圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開了一種基于球單元的產(chǎn)品吸聲降噪的設(shè)計(jì)方法，包括基于均勻化計(jì)算理論結(jié)合結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)和材料構(gòu)型設(shè)計(jì)建立具有優(yōu)良吸聲降噪性能的多孔結(jié)構(gòu)，并通過(guò)在合理的位置填充球單元或球單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，如合理半徑大小的實(shí)心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼、半球或球體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等球單元，從而構(gòu)造出最優(yōu)的吸聲降噪的多孔結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出吸聲降噪性能優(yōu)良、同時(shí)質(zhì)量輕強(qiáng)度大的產(chǎn)品。

本發(fā)明具體包括如下步驟：

(1)定義設(shè)計(jì)域、載荷和邊界條件；

(2)對(duì)產(chǎn)品區(qū)域劃分有限元網(wǎng)格，同時(shí)初始化各變量；

(3)利用基于均勻化計(jì)算理論結(jié)合結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)和材料構(gòu)型設(shè)計(jì)、以聲輻射功率為目標(biāo)的優(yōu)化模型，對(duì)產(chǎn)品各單元進(jìn)行有限元分析，利用模型構(gòu)造出最優(yōu)的吸聲降噪的多孔結(jié)構(gòu)；

(4)在產(chǎn)品的指定的位置填充球單元或球單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而構(gòu)造出最優(yōu)的吸聲降噪的多孔結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品具有良好的吸聲降噪性能；

(5)對(duì)設(shè)計(jì)好內(nèi)部結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)要求的工況下進(jìn)行有限元分析，得出部件的應(yīng)力分布與力學(xué)性能相關(guān)的參數(shù)；

(6)對(duì)步驟(5)獲得的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、歸納整理，得到系統(tǒng)性、綜合性的力學(xué)問(wèn)題和優(yōu)化導(dǎo)向，通過(guò)改變球單元的材料、結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品所需的強(qiáng)度要求；

(7)對(duì)步驟(6)中設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析和相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證部件是否滿足設(shè)計(jì)需求。

所述球單元或球單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括實(shí)心球體、空心球殼、帶孔洞的球殼、半球或球體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在所述步驟(3)中，通過(guò)JCA模型構(gòu)造出最優(yōu)的吸聲降噪的多孔結(jié)構(gòu)。

在所述步驟(7)中，包括如下步驟：

(71)通過(guò)常規(guī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試3D打印出的產(chǎn)品的基本物理機(jī)械性能；

(72)按照部件在實(shí)際工作中的工況搭建微縮的試驗(yàn)平臺(tái)，從零逐漸增加載荷，在試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加載試驗(yàn)，采用電阻應(yīng)變片法測(cè)試不同載荷條件下部件的變形分布以及變形量變化情況；

(73)將步驟(71)中測(cè)量的部件的基本物理機(jī)械性能以及基本物理機(jī)械性能種類與步驟(72)中的不同載荷條件作為基本輸入值，采用有限元分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品的受力模擬分析；將模擬的變量分析結(jié)果與步驟(72)中實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，符合度大于90％則進(jìn)行下一步，否則返回到(73)調(diào)整基本物理機(jī)械性能種類及載荷條件，再次進(jìn)行模擬分析，直到理論和試驗(yàn)符合度達(dá)到要求；

(74)將步驟(73)中調(diào)整好的載荷條件、基本物理機(jī)械性能種類和(71)中的材料基本物理機(jī)械性能作為輸入?yún)?shù)，采用有限元分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品受力模擬分析，從零開始增加載荷力的大小，模擬分析出產(chǎn)品的強(qiáng)度，即可推演出相應(yīng)產(chǎn)品在實(shí)際工況下不會(huì)變形過(guò)大而失效，能夠承受得住相應(yīng)的載荷。

在所述步驟(71)中，基本物理機(jī)械性能包括：抗拉強(qiáng)度、彈性模量、布氏硬度、泊松比、屈服強(qiáng)度、切線模量和密度。

步驟(72)、(73)、(74)中所述的載荷條件指的是施加載荷力的大小、力的方向、力的作用點(diǎn)和力的分布情況。

對(duì)設(shè)計(jì)出的部件進(jìn)行步驟(71)-步驟(74)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，不斷優(yōu)化部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如將空心球改為實(shí)心球等方法改變球單元的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，從而達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

將改進(jìn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立相應(yīng)的球心的三維位置、球心半徑的結(jié)構(gòu)矩陣，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)算法，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行量化生產(chǎn)。

本發(fā)明填充的球單元包括但不限于球、由球衍生出的球殼、表面含孔洞的球殼以及球的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等多種幾何體。

亞表面是指在幾何外形固定產(chǎn)品的內(nèi)部空間，通過(guò)改變產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化產(chǎn)品的力學(xué)性能和物理特性，包括但不限于應(yīng)力分布、比剛度、比強(qiáng)度和吸聲降噪性能等。

使用的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是基于上述定義的球單元的結(jié)構(gòu)。

球單元的設(shè)計(jì)自由度包括單元種類和分布特征，單元種類包括但不限于實(shí)體球、表面打孔的球殼等，分布特征包括但不限于球單元三維坐標(biāo)數(shù)學(xué)參數(shù)等。

本發(fā)明利用拓?fù)鋬?yōu)化的方法，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的吸聲降噪性能的多孔結(jié)構(gòu)，并通過(guò)填充球單元及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法來(lái)構(gòu)造多孔結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化產(chǎn)品的吸聲降噪性能。

本發(fā)明具體涉及一種基于球單元的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，用于設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良的吸聲降噪性能同時(shí)具備優(yōu)良力學(xué)性能的產(chǎn)品。本方法需要結(jié)合部件設(shè)計(jì)需求，利用拓?fù)鋬?yōu)化的方法選擇合適的位置設(shè)計(jì)球單元多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良力學(xué)性能和吸聲降噪性能的產(chǎn)品。

本方法基于均勻化計(jì)算理論結(jié)合結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)和材料構(gòu)型設(shè)計(jì)建立具有優(yōu)良吸聲降噪性能的多孔結(jié)構(gòu)，之后通過(guò)設(shè)計(jì)合適的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提升部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗壓抗磨損性能等力學(xué)性能和增加傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所沒(méi)有的超阻尼等物理特性，實(shí)現(xiàn)在不改變結(jié)構(gòu)外形條件下能根據(jù)結(jié)構(gòu)使用要求改變結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度分布、載荷路徑、阻尼分布、失效分布、模態(tài)分布、傳熱分布、壽命分布等機(jī)械性能，構(gòu)建出具有優(yōu)良吸聲降噪性能、滿足產(chǎn)品外部應(yīng)力需求的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具體在于利用球、由球衍生出的球殼、表面含孔洞的球殼以及球的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等多種球單元幾何體的合理組合，通過(guò)改變球單元的種類、分布規(guī)律等參數(shù)，設(shè)計(jì)出以球單元為基礎(chǔ)的亞表面多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到提升產(chǎn)品的吸聲降噪性能、力學(xué)性能和物理特性的目的。本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法應(yīng)對(duì)了現(xiàn)有材料制造的產(chǎn)品難以滿足設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)狀，能制造出重量輕、強(qiáng)度大、吸聲降噪能力好的產(chǎn)品。

本發(fā)明具體的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法構(gòu)造出的最優(yōu)的吸聲降噪結(jié)構(gòu)，通過(guò)在產(chǎn)品內(nèi)通過(guò)填充球單元及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造最優(yōu)的吸聲降噪結(jié)構(gòu)，在滿足最優(yōu)吸聲降噪性能的前提下通過(guò)改變球單元的結(jié)構(gòu)屬性可以滿足產(chǎn)品的外部應(yīng)力需求，在應(yīng)力集中的地方增大內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，例如使用實(shí)心球體、實(shí)心半球等，在應(yīng)力分散的地方減小內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，例如使用空心球殼等。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)產(chǎn)品的吸聲降噪性能。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。