Топологическая оптимизация механоакустических систем

Проблема снижения шумового излучения представляет собой одну из ключевых задач в области акустики. В качестве более эффективного подхода к ее решению предлагается применение топологической оптимизации, целью которой является перестроение геометрии структуры и изменение параметров материала конструкции в выбранном объеме в соответствии с заданными нагрузками и ограничениями. Рассмотрено новое решение задачи минимизации шума в механоакустических системах, характеризующихся наличием источников гармонических колебаний, посредством модификации известного алгоритма “твердого изотропного материала со штрафами” (SIMP). В качестве целевой функции используется интенсивность давления на внешней границе жидкости, переход к которой позволяет использовать в прикладных задачах различные виды гармонических источников. Предложено развитие алгоритма, позволяющее проводить оптимизацию в заданном диапазоне частот. Продемонстрированы результаты численной апробация подхода, полученные в ходе решения двумерной задачи: минимизации излучаемого шума стальной оболочкой, погруженной в воду, при воздействии периодической точечной силы на ее стенку. Для нескольких поставленных задач были найдены оптимальные распределения материала в расчетной области конструкции, что привело к снижению среднего уровня давления на внешней границе жидкости на 10 дБ. Представлены визуализации поля давления в жидкости и колебаний структуры до и после процедуры оптимизации, а также спектральные характеристики полученной системы.