[發明專利]基于遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓撲優化方法

有效

• 申請號: 201310150440.0
• 申請日: 2013-04-26
• 公開（公告）號: CN103246767A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 吳斌;劉宗發;何存富
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06N3/12
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明屬聲帶隙材料設計領域，涉及一種聲帶隙材料拓撲優化設計方法，特別涉及一種基于遺傳算法和有限元法,對二維液-液聲子晶體原胞材料分布進行拓撲優化設計，以獲得所需要的帶隙特征。

背景技術

聲子晶體是指具有不同聲學特性的材料按周期性復合在一起、具有聲波帶隙的周期復合材料。當聲波在受到材料常數的周期性調制時，可能會產生聲帶隙，即一定頻率范圍的聲波的傳播被抑制或禁止。聲子晶體的這種特性具有極大的理論意義，在無源隔音、聲濾波器等新型聲學功能材料等方面具有廣泛的應用前景。在上述應用中，聲子晶體絕對帶隙的存在與否及帶隙大小都非常重要；而且，帶隙越大，其應用價值就越高。所以，尋求最大禁帶聲子晶體結構,一直是聲子晶體理論研究的重點。

傳統的聲子晶體設計思路一般是：在特定的晶格類型(正方晶格、三角晶格等)條件下，采用有限的幾種對稱圖形(如二維問題中，采用圓柱、正方柱等)作為原胞的散射體,通過調整這些散射體的幾何參數以及散射體和基體材料參數來打開聲子晶體帶隙或改善帶隙的特性,進而經驗性地提煉可能的設計規律,然后指導性地尋找更好的聲子晶體新結構。

然而，對何種形式的聲子晶體原胞結構具有所期望的最優帶隙，僅根據經驗性的總結和直覺性的預測，則是一個難以實現的問題，這在很大程度上束縛了人們對聲子晶體的應用。

發明內容

為了克服現有的聲子晶體設計分析方法的不足，本發明提出一種基于遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓撲優化方法，根據對二維液-液聲子晶體帶隙的要求，自動尋找對應的聲子晶體材料最優布局，得到具有最優帶隙特性的新穎的聲子晶體結構，使其達到最好的技術經濟性能。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：用有限元法計算二維液-液聲子晶體的頻散關系，獲取相應的帶隙值；然后應用遺傳優化算法，根據帶隙所要達到目標，搜索聲子晶體最優材料拓撲布局。其特點是包括以下步驟：

1)初始化：隨機生成N_pop個二進制數表示的染色體(個體)構成初始種群。

2)計算個體適應度：采用有限元法，計算每個遺傳個體對應的聲子晶體原胞的能帶,得到對應的禁帶數值。根據優化的目標，用聲子晶體禁帶構造目標函數，即：拓撲優化的目標設為第七能級和第六能級間帶隙（下面簡稱第六帶隙）相對值最大：

max:Δω6maxω6(k)=minω7(k)-maxω6(k)maxω6(k)]]>

minω₇(k)為第七能級本征頻率的最小值、maxω₆(k)為第六能級本征頻率的最大值、Δω₆為第六帶隙寬度。然后以目標函數值來度量遺傳個體的適應度。

3)依次執行選擇、交叉和變異遺傳操作生成下一代種群，使種群向前進化，不斷更新種群。其中,選擇是根據遺傳個體適應度值的大小，采用精英選擇與輪盤賭相結合機制；交叉操作采用平均交叉方式,隨機選擇染色體實施行交叉或列交叉，以增強算法的全局搜索能力；個體變異采用位變異機制。由于“優勝劣汰,適者生存”自然選擇和遺傳進化機理,最優秀個體的拓撲結構就越來越逼近目標要求的聲子晶體原胞最優拓撲布局。