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Ultra-wide low-frequency bandgap design of acoustic metamaterial via multi-material topology optimization

拓扑优化 超材料 拓扑(电路) 最优化问题 计算机科学 网络拓扑 材料科学 电子工程 声学 算法 数学 工程类 物理 有限元法 光电子学 结构工程 操作系统 组合数学
作者
Xiaopeng Zhang,Yan Li,Yaguang Wang,Yangjun Luo
出处
期刊:Composite Structures [Elsevier BV]
卷期号:306: 116584-116584 被引量:22
标识
DOI:10.1016/j.compstruct.2022.116584
摘要

Designing ultra-wide low-frequency bandgap acoustic metamaterial has important application potential but is also challenging. This study proposes a systematic topology optimization method of multi-material acoustic metamaterial to open single and multiple low-frequency bandgaps. In the optimization model, new objective functions that effectively evaluate the single or multiple low-frequency bandgaps are proposed. To describe the complicated topologies of the multi-material acoustic metamaterial with a lower number of design variables, the material-field series expansion (MFSE) technique is adopted, and the multiple material properties are interpolated with the discrete material optimization (DMO) scheme. With the interpolated scheme and the multi-material field description model, a clear three-material topology can be determined by two independent material-field functions with only 100 independent design variables. This greatly reduces the design variables for the topological description of the microstructure, enabling the problem to be solved using non-gradient optimization algorithms. The self-adaptive strategy based sequential Kriging optimization algorithm is then introduced to solve the optimization problems. Numerical examples prove the proposed topology optimization method can effectively provide the acoustic metamaterial designs with ultra-wide low-frequency bandgaps and show that both the Bragg scattering and local resonance mechanisms based acoustic metamaterial can be obtained directly without any additional settings.
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