一种圆形分层五模隐身衣优化设计方法与流程

1.本发明涉及声学隐身技术领域，尤其涉及一种圆形分层五模隐身衣优化设计方法。


背景技术：

2.对于水下航行器来说，隐身能力是其生命力的源泉，通过捕捉散射声波感知对象的主动声学探测技术对水下航行器造成了极大威胁。传统上，水下航行器通过敷设高分子吸声结构声学覆盖层来达到抑制声波散射效应、对抗主动声学探测手段的目的。高分子吸声结构低频吸声性能与厚度有关。厚度越大，低频声波在结构内部传播的路径越长、能量损耗越多，整体结构低频吸声性能越好。然而，对于实际应用来说，结构厚度不可能无限增大，导致低频吸声性能受到限制。为提高低频吸声性能，人们研究了在结构内部布设空腔，通过空腔共振实现对低频声波的吸收。然而，空腔的共振频率与其体积密切相关，体积越大，共振频率越低，吸声性能越好。考虑到耐压等实际因素，共振空腔不能设计过大。因此，布设空腔的方式仍然不能从根本上解决高分子吸声结构低频性能不佳的问题。由于上述原因，敷设传统声学覆盖层的水下航行器低频隐身性能不佳。
3.不同于传统声学覆盖层的吸声机理，声学隐身衣基于变换声学理论，通过设计声波传播路径实现抑制声波散射效应的目的，其对低频声波的控制能力远超传统吸声结构，具备大幅提升水下航行器低频隐身性能的潜力。此外，声学隐身衣在日常生活中也有重要的潜在应用价值。随着城市的发展，人类生存环境中的噪声污染问题日益突出，设计声学隐身衣并将其敷设于建筑物表面，可引导声波绕过建筑物传播，达到降低进入内部的声波能量，抑制噪声污染的目的。
4.声学隐身衣主要分为惯性隐身衣与五模隐身衣，分别拥有各向异性密度与各向异性模量，都需要通过对隐身衣的微结构进行人工设计实现。针对惯性隐身衣，torrent等人提出使用等效介质理论进行多层复合材料结构的惯性隐身衣设计方法，国内胡金、胡更开、程建春等人也陆续研究出新型惯性隐身衣结构。但惯性隐身衣有两个不足：一是难以做到宽频有效，二是重量厚度较大，这两点均较大程度地限制了惯性隐身衣的实际应用。而五模隐身衣不具有频率依赖性，可实现对任意频率声波的完美隐身，而且其各项异性模量可以通过微结构的设计实现，具有很大的设计灵活性和可实现性。但理想的五模材料要求其剪切模量为0，即b/g值（b：体积模量，g：剪切模量）为无穷大，这在现实中也是无法实现的。为解决此问题，研究人员提出采用较大b/g值、拥有一定剪切模量、能够稳定存在的五模材料来近似实现理想的五模材料，研究结果表明当b/g值足够大时，隐身衣的性能与理想的五模材料隐身衣近似，这为五模隐身衣的物理实现奠定了重要的理论基础。
5.针对五模隐身衣结构的设计，目前往往将其简化为对隐身衣单胞结构的设计，通过设计单胞结构并对单胞进行周期性排列与连接，从而得到五模隐身衣的整体结构。但实际应用中，单胞层数越多，隐身衣结构整体隐身性能越好。面对未知的单胞层数与单胞大小，现有研究人员往往逐层对单胞进行设计，这会导致设计周期的增加与资源的浪费。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提出了一种圆形分层五模隐身衣优化设计方法，针对现有设计方法的不足，提出基于参数离散的隐身衣结构设计方法，同时充分考虑结构的可加工性，大幅缩短设计周期的同时，得到可实际加工应用的宽频有效的五模隐身衣。
7.本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种圆形分层五模隐身衣优化设计方法，包括以下步骤：s1、根据圆形隐身衣设计要求，构造变换函数，用于计算隐身衣模型的连续物性参数；s2、确定隐身衣模型的径向分层离散结构，并获得各层连续物性参数的设计值；s3、对分层后的隐身衣模型结构进行周向离散，并确定离散块数量；s4、选择周期性结构原胞基本构型，并确定各层内的单胞拓扑连接结构；s5、根据各层连续物性参数的设计值分别确定各层中单个离散块最靠近隐身衣中心的单胞的结构尺寸，并将该单胞作为该离散块的第一个单胞；s6、将步骤s5获得的各离散块第一个单胞进行等比放大，并按步骤s4中确定的层内单胞拓扑连接结构进行连接，以填充离散块；s7、将填充好的各层内外侧进行层间拼接，获得最终离散块；s8、将最终离散块进行周向复制，直至形成闭环，获得隐身衣模型。
8.在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤s1中，连续物性参数包括密度ρ、径向刚度与切向刚度，分别表示为：
9.其中，和分别为周围背景流体的密度和体积模量，f为变换函数f(r)，是f(r)的导数，r为当前位置与隐身衣中心的距离。
10.进一步优选的，所述步骤s2中，还包括确定隐身衣模型离散分层层数n，各层厚度分别为，隐身衣的各项参数分别为内径a、外径b，且。
11.更进一步优选的，所述步骤s2中，第n层中间位置到圆柱中心的距离rn为：
12.其中，di表示第一层到第n-1层中，第i层的厚度，dn为第n层的厚度，通过rn以计算密度ρ、径向刚度与切向刚度的设计值。
13.更进一步优选的，所述步骤s4还包括在单个离散块内，按从内到外填充m个单胞，各单胞长度分别为，单胞长度由内向外按等比级数递增，增长比例为λ，且λ》1，其中第m个单胞的长度为：
14.层厚与层内各单胞长度总和相等，表示为：；将依次填充至离散块内，获得与层厚dn相等的离散块。
15.在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤s3还包括，在满足加工性能要求的前提下，将离散块数量设置为最大，则每块离散块对应弧度均为：
16.通过弧度调整单胞，使单胞可绕隐身衣周向进行连接。
17.更进一步优选的，所述步骤s4中，根据密度ρ、径向刚度、切向刚度以及层厚与层内各单胞长度总和相等来确定第n层中，填充单胞的数量，再通过m个单胞的长度确定第一个单胞的长度。
18.在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤s5中，采用单胞宏观等效力学性质计算方法计算各层第一个单胞的结构尺寸，所述单胞宏观等效力学性质计算方法包括解析法、均匀化方法以及频散曲线等效法的其中一种。
19.在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤s2中，对隐身衣物性参数进行分层离散时，采用优化计算法与直接分层法的其中一种。
20.更进一步优选的，所述步骤s1中的变换函数f（r）为线性变换函数：
21.其中，c为隐身系数。
22.本发明的圆形分层五模隐身衣优化设计方法相对于现有技术具有以下有益效果：（1）通过设置本方法基于变换声学理论设计隐身衣结构整体物性参数，通过径向分层、周向离散方法，将隐身衣整体结构设计转化为单胞结构设计及其拓扑连接方式设计，保证隐身衣整体性能的同时，降低设计难度，缩短设计周期，实现宽频有效的五模隐身衣结构设计；（2）本方法通过在满足加工性能要求的前提下，将离散块数量设置为最大值，从隐身衣整体隐身性能出发，充分考虑微结构的可加工性，能够在保证隐身性能的同时，设计出可实际加工应用的隐身衣结构；（3）通过构造变换函数，获得隐身衣模型的连续物性参数设计值，再通过该设计值得到填充单胞方案，可有效降低实验次数，快速获得符合设计值的单胞尺寸参数。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明的圆形分层五模隐身衣优化设计方法的步骤示意图；图2为本发明的圆形分层五模隐身衣优化设计方法的隐身衣整体结构离散示意图；图3为本发明的圆形分层五模隐身衣优化设计方法的六边形单胞结构示意图；图4为本发明的圆形分层五模隐身衣优化设计方法的单个离散块内单胞填充结构示意图；图5为本发明的圆形分层五模隐身衣优化设计方法的层内单胞实际构型示意图；图6为本发明的圆形分层五模隐身衣优化设计方法的最终离散块结构示意图；图7为本发明的圆形分层五模隐身衣优化设计方法的隐身衣整体结构示意图；图8为本发明的圆形分层五模隐身衣优化设计方法的设计处的隐身衣效果示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
26.如图1-7所示，本发明的圆形分层五模隐身衣优化设计方法，包括步骤s1-s8。
27.s1、根据圆形隐身衣设计要求，构造变换函数，用于计算隐身衣模型的连续物性参数。
28.构造变换函数，计算连续物性参数。根据隐身衣内径a、外径b、隐身系数c等设计要求，构造变换函数，基于变换声学理论，可计算获得隐身衣连续物性参数。
29.其中构造的变换函数为单刚度线性隐身衣变换函数、双刚度线性隐身衣变换函数、密度常值隐身衣变换函数、线性变换函数、刚度常值隐身衣变换函数和最小各向异性隐身衣变换函数的其中一种。
30.具体的，连续物性参数包括密度ρ、径向刚度与切向刚度，分别表示为：
31.其中，和分别为周围背景流体的密度和体积模量，f为变换函数f(r)，是f(r)的导数，r为当前位置与隐身衣中心的距离。
32.s2、确定隐身衣模型的径向分层离散结构，并获得各层连续物性参数的设计值。
33.即制定径向分层离散方案。具体的，制定隐身衣结构径向分层离散方案，并确定隐
身衣模型离散分层层数n，各层厚度分别为，隐身衣的各项参数分别为内径a、外径b、隐身系数c，且，第n层中间位置到圆柱中心的距离rn为：
34.其中，di表示第一层到第n-1层中，第i层的厚度，dn为第n层的厚度。
35.依据步骤s1中的计算式，将rn分别代入即可得到：
36.从而计算出第n层的密度、径向刚度与切向刚度，其中的密度、径向刚度与切向刚度均为设计值。
37.s3、对分层后的隐身衣模型结构进行周向离散，并确定离散块数量。
38.制定周向离散方案。对分层后的隐身衣结构进行周向离散，在满足加工性能要求前提下，离散块数越多越好，优选为最大值，将离散块数量设置为最大，则每块离散块对应弧度均为：
39.以此求得单个离散块在隐身衣上所对应的弧度，由于离散块是在隐身衣的层结构上进行离散获得，而单胞在每层结构上是等比放大，故而每层的离散块数量是一致的，也就是说，每个离散块所对应的弧度均相等。
40.s4、选择周期性结构原胞基本构型，并确定各层内的单胞拓扑连接结构。
41.本步骤为制定层内单胞填充方案。具体为，选择周期性结构原胞基本构型，依据离散方案，确定层内与层间单胞拓扑连接方案。
42.原胞基本构型可选择为四边形、六边形与八边形结构单元的其中一种，也可采用其他多边形结构。
43.在单个离散块内，按从内到外填充m个单胞，各单胞长度分别为，单胞长度由内向外按等比级数递增，增长比例为λ，且λ》1，其中第m个单胞的长度为：
44.层厚与层内各单胞长度总和相等，表示为：
45.由于层厚dn是固定的，那么单胞等比放大后的长度之和也是固定的，由此可以计算出各层第一个单胞的长度。
46.对隐身衣物性参数进行分层离散时，采用优化计算法与直接分层法的其中一种，其中的直接分层法包括代表点法与平均计算法。例如，当使用代表点直接分层法进行分层离散时，就是选择每层内具有代表性的点，通过s2中的计算式求解该点处隐身衣密度、刚度等物性参数，并将这些参数作为隐身衣在该层内应有的物理属性。
47.具体的，根据密度ρ、径向刚度、切向刚度以及层厚与层内各单胞长度总和相等来确定第n层中，填充单胞的数量，再通过m个单胞的长度确定第一个单胞的长度。
48.s5、根据各层连续物性参数的设计值分别确定各层中单个离散块最靠近隐身衣中心的单胞的结构尺寸，并将该单胞作为该离散块的第一个单胞。
49.在本步骤中设计各层内单胞结构尺寸。首先设计各层第一个单胞的结构尺寸，计算其等效密度、径向刚度、周向刚度是否满足s2中的设计值，如果满足，则执行下一步，不满足则调整尺寸参数，直到单胞物性参数符合设计值。
50.采用单胞宏观等效力学性质计算方法计算各层第一个单胞的结构尺寸，单胞宏观等效力学性质计算方法包括但不限于解析法、均匀化方法以及频散曲线等效法。例如，当使用频散曲线法计算单胞宏观等效力学性质时，通过求解单胞单胞结构的频散曲线（能带结构），依据频率、波矢、振动模态，计算单胞在径向、切向上的纵波、横波波速，结合波速与刚度的关系，即可获得单胞的径向刚度、切向刚度、剪切刚度。单胞的等效密度则可通过质量体积比轻松获得。
51.在本步骤中，对单胞尺寸参数进行优化设计时，优化方法包括但不限于遗传算法、蚁群算法、粒子群优化算法、模拟褪火法等。例如，当使用模拟褪火法设计单胞微结构时，以单胞几何建模所需的各个参数为设计变量，以单胞目标物性参数为设计目标，结合加工工艺尺寸约束、几何建模空间约束等，通过模拟褪火法优化迭代获得最优单胞尺寸参数需要注意的是，在确定单胞结构尺寸时，需要将离散块的弧度代入计算，对单胞进行优化，使得其结构可适应周向排布拼接。
52.s6、将步骤s5获得的各离散块第一个单胞进行等比放大，并按步骤s4中确定的层内单胞拓扑连接结构进行连接，以填充离散块。
53.本步骤可概括为在各离散块内进行单胞结构填充，由于基材物性不变，当对s5中所设计单胞结构进行比例缩放时，其等效密度和等效弹性模量不会发生变化。依据单胞填充方案，对s5中设计获得的各离散块第一个单胞进行等比放大并按周期性进行连接、填充离散块，s7、将填充好的各层内外侧进行层间拼接，获得最终离散块。
54.在填充好离散块后，还需要根据所选择的原胞基本构型，将填充的单胞进行拼接，形成具有稳定结构的最终离散块。
55.s8、将最终离散块进行周向复制，直至形成闭环，获得隐身衣结构。
56.将填充且拼接好的最终离散块进行周向复制，即将最终离散块按照其所在单层，将其进行次的周向复制次，即完成了全部分层隐身衣的整体结构设计，在得到隐身衣的
最终结构后，即可输出隐身衣的整体结构，完成隐身衣设计操作。
57.在某一具体实施例中，隐身衣内径a=1m，外径b=2m，隐身系数c=0.3。隐身衣材料选用钛合金，其力学参数为，，；背景流体为水，其属性为，。
58.根据步骤s1构造变换函数，这里选用线性变换函数，即可得到：
59.则，隐身衣连续物性参数为：。
60.依据步骤s2，制定径向分层方案，这里将隐身衣分为5层，每层厚度为0.2m。则各层密度与刚度值如下所列：
61.从而获得各层的参数。
62.依据步骤s3，制定周向离散方案，将隐身衣结构周向离散成180块弧度一致的离散块，各离散块的弧度为：
63.径向分层、周向离散后，其隐身衣结构离散方式如图2所示。
64.依据步骤s4，选择单胞构型并制定层内单胞填充方案，此实施例中选择如图3所示六边形构型为隐身衣结构单胞，在每层单个离散块儿内，其单胞填充与连接方案如图4所示，层间则通过相邻两层间的内外侧单胞短边相连。
65.依据步骤s5，对各层内单胞具体尺寸参数进行设计优化，具体设计时主要对层内第一个单胞进行参数设计，使其等效密度与等效模量与步骤s2分层离散得到的物性参数一致，再通过等比例缩放依次获得第2个、第3个、
…
、第m个单胞的尺寸参数。此处列举每层第一个单胞的结构参数及各层内的单胞缩放比例，具体如下：第1层单胞1：，层内填充单胞由内向外增长比例为，单胞填充层数m=6；
第2层单胞1：，层内填充单胞由内向外增长比例为，单胞填充层数m=4；第3层单胞1：，层内填充单胞由内向外增长比例为，单胞填充层数m=3；第4层单胞1：，层内填充单胞由内向外增长比例为，单胞填充层数m=3；第5层单胞1：，层内填充单胞由内向外增长比例为，单胞填充层数m=2。
66.依据步骤s6，通过将获得的各离散块内单胞结构以步骤s4所述方式连接填充，即可获得单个离散块的单胞填充结构。需要注意的是为了完美贴合周向离散块的两侧边界，需要将六边形单胞两侧角度稍作调整，而调整的依据就是离散块的弧度，调整后单胞结构如图5所示。
67.依据步骤s7，将各层离散块内外侧相互拼接后，便得到单个弧度的周向离散块填充结构，如图6所示。
68.依据步骤s8，将最终离散块进行周向复制次，即获得了如图7所示隐身衣整体结构设计。
69.经仿真验证，如图8所示，当有隐身衣时，被隐身物体在10米处声压级远小于无隐身衣时声压级，最高可降低82.3%，最低可降低50.0%。
70.以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据圆形隐身衣设计要求，构造变换函数，用于计算隐身衣模型的连续物性参数；s2、确定隐身衣模型的径向分层离散结构，并获得各层连续物性参数的设计值；s3、对分层后的隐身衣模型结构进行周向离散，并确定离散块数量；s4、选择周期性结构原胞基本构型，并确定各层内的单胞拓扑连接结构；s5、根据各层连续物性参数的设计值分别确定各层中单个离散块最靠近隐身衣中心的单胞的结构尺寸，并将该单胞作为该离散块的第一个单胞；s6、将步骤s5获得的各离散块第一个单胞进行等比放大，并按步骤s4中确定的层内单胞拓扑连接结构进行连接，以填充离散块；s7、将填充好的各层内外侧进行层间拼接，获得最终离散块；s8、将最终离散块进行周向复制，直至形成闭环，获得隐身衣模型。2.如权利要求1所述的圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于：所述步骤s1中，连续物性参数包括密度ρ、径向刚度与切向刚度，分别表示为：；其中，和分别为周围背景流体的密度和体积模量，f为变换函数f(r)，是f(r)的导数，r为当前位置与隐身衣中心的距离。3.如权利要求2所述的圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于：所述步骤s2中，还包括确定隐身衣模型离散分层层数n，各层厚度分别为，隐身衣的各项参数分别为内径a、外径b，且。4.如权利要求3所述的圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于：所述步骤s2中，第n层中间位置到圆柱中心的距离r
n
为：；其中，d
i
表示第一层到第n-1层中，第i层的厚度，d
n
为第n层的厚度，通过r
n
以计算密度ρ、径向刚度与切向刚度的设计值。5.如权利要求3所述的圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于：所述步骤s4还包括在单个离散块内，按从内到外填充m个单胞，各单胞长度分别为，单胞长度由内向外按等比级数递增，增长比例为λ，且λ>1，其中第m个单胞的长度为：；层厚与层内各单胞长度总和相等，表示为：
；将依次填充至离散块内，获得与层厚d
n
相等的离散块。6.如权利要求1所述的圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于：所述步骤s3还包括，在满足加工性能要求的前提下，将离散块数量设置为最大，则每块离散块对应弧度均为：；通过弧度调整单胞，使单胞可绕隐身衣周向进行连接。7.如权利要求5所述的圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于：所述步骤s4中，根据密度ρ、径向刚度、切向刚度以及层厚与层内各单胞长度总和相等来确定第n层中，填充单胞的数量，再通过m个单胞的长度确定第一个单胞的长度。8.如权利要求1所述的圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于：所述步骤s5中，采用单胞宏观等效力学性质计算方法计算各层第一个单胞的结构尺寸，所述单胞宏观等效力学性质计算方法包括解析法、均匀化方法以及频散曲线等效法的其中一种。9.如权利要求1所述的圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于：所述步骤s2中，对隐身衣物性参数进行分层离散时，采用优化计算法与直接分层法的其中一种。10.如权利要求3所述的圆形分层五模隐身衣优化设计方法，其特征在于：所述步骤s1中的变换函数f（r）为线性变换函数：；其中，c为隐身系数。

技术总结
本发明涉及声学隐身技术领域，并提出了一种圆形分层五模隐身衣优化设计方法，包括以下步骤：S1、根据隐身衣设计要求，构造变换函数；S2、确定隐身衣径向分层离散结构，获得连续物性参数的设计值；S3、对分层后的隐身衣结构进行周向离散，并确定离散块数量；S4、确定层内单胞拓扑连接结构；S5、根据连续物性参数的设计值分别确定各层第一个单胞的结构尺寸；S6、将步骤S5获得的各离散块第一个单胞进行等比放大，并按步骤S4中确定的层内单胞拓扑连接结构进行连接，以填充离散块；S7、将填充好的各层内外侧进行层间拼接，获得最终离散块；S8、将最终离散块进行周向复制，直至形成闭环，获得隐身衣模型。衣模型。衣模型。


技术研发人员：黄贻苍 张向东 蔡玄 李巧娇 吴刚 宋清华 丰星星
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一九研究所
技术研发日：2023.09.12
技术公布日：2023/10/20