本发明涉及振动与噪声控制，具体地，涉及一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法。
背景技术：
1、随着现代声呐技术的发展，水下装备的声隐身问题日益突出，增加了被导弹、鱼雷等水下武器命中的可能性，严重威胁了水下装备的生存能力。水下吸声材料是提升水下装备声隐身性能的核心技术手段。目前，水下吸声超结构的经验设计模式主要有两种，一是空腔型超结构，它是由橡胶基体内嵌声学空腔所组成。二是局域共振型超结构，它是由橡胶基体内嵌局域共振单元所组成，局域共振单元通常为硬质金属包覆软硅橡胶，在设计方法层面，设计人员也往往依赖人工经验，利用有限元分析方法对不同结构进行对比分析进而选取相对较优的结构。但这样的设计流程一方面效率较低，这是由于水下超结构有限元计算是一个多物理场问题，需要求解大规模的声-固耦合刚度矩阵；另一方面受初始构型影响大，设计范围和设计效果均受到限制。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法，解决现有水下超结构吸声频段窄，低频实现困难，且目前仅靠人工可设想的结构范围越来越小，单材料拓扑优化设计空间有限的问题，该方法设计的水下吸声超结构更合理,满足吸声结构更低频更宽带的高吸声性能要求，能在不同的多材料体系下具有通用性,同时提高优化效率。
2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
3、本发明提供了一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法，包括以下步骤：
4、s1.基于等效介质理论预测超结构宏观吸声性能；
5、s2.基于simp插值函数的能量均匀化理论，建立多材料体系下超结构拓扑优化逆向设计方法；
6、s3.选取合适材料体系，以超结构等效弹性参数为目标，对多材料超结构实现精准设计。
7、作为本发明的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法的一个方面，所述s1包括以下步骤：
8、s11.构建水下吸声等效介质模型，从微观力学角度研究声波传播过程质点的应力应变；
9、s12.计算出超结构层的等效弹性刚度矩阵，并加入损耗因子η，分析损耗因子η带来的吸声机理与参数影响。
10、作为本发明的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法的一个方面，所述s11中的微观力学角度研究声波传播过程质点的应力应变包括不同介质间的边界条件，推导超结构模型吸声性能与宏观等效力学参数，弹性波特性之间的解析关系，计算出水下吸声超结构的理论预测吸声系数曲线与预测模型。
11、作为本发明的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法的一个方面，所述s12包括以下步骤：
12、s121.设想超结构层的等效弹性刚度矩阵每个元素都有一个损耗因子η，每个元素的η不一定相等，研究参数η的变化对结构的吸声系数曲线影响；
13、s122.超结构的全局坐标系下的等效弹性刚度矩阵cm＝rclrt，
14、其中，r为旋转矩阵，与结构旋转角α有关，局部坐标系下等效弹性刚度矩阵cl与各向异性指数γ1、变形特征参数γ2，变形特征参数γ3以及弹性常数有关，弹性常数
15、s123.研究实现低频宽带水下吸声性能的超结构等效弹性参数cm，获取水下吸声超结构预测模型与理论预测吸声系数曲线。
16、作为本发明的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法的一个方面，所述s2包括以下步骤：
17、s21.采用基于simp插值函数的能量均匀化理论的求解算法进行拓扑优化，得到超结构层宏观上的等效弹性刚度矩阵dh；
18、s22.采用mma优化准则设计多个约束且产生的结构细节更多，采用双曲正切投影滤波，获得清晰的拓扑结构。
19、作为本发明的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法的一个方面，所述s21包括以下步骤：
20、s211.对每一个材料点的微观单元胞结构进行拓扑优化，每个元胞结构由不同的材料与孔洞构成；
21、s212.多种材料的设计变量与其弹性模量在simp插值函数下组合，将目标函数设为宏观的等效弹性刚度矩阵dh达到设定的值；
22、s213.使用均匀化理论进行拓扑优化时，对边界的约束转化为rve相对曲面上对应的节点对之间一定数量的显式约束。
23、作为本发明的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法的一个方面，所述s22包括以下步骤：
24、s221.mma优化准则设计多个约束且产生的结构细节更多，目标函数为宏观的等效弹性刚度矩阵dh，弹性刚度中每个元素的值分为实部和虚部；
25、s222.分别达到设定的值作为子约束，再组装成一个约束，故正交各向异性的超结构层总共有六个约束，每个约束下有实部虚部两个子约束；
26、s223.采用双曲正切投影滤波，每个元素的密度被过滤为0或1，从而获得清晰的拓扑结构。
27、作为本发明的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法的一个方面，所述s3包括以下步骤：
28、s31.对s22得到的拓扑结构经过cad软件处理不同材料间锯齿形边界，导入comsolmultiphysics软件中进行仿真，获得拓扑结构的吸声系数曲线；
29、s32.将s31得到的吸声系数曲线与所述s123中理论预测吸声系数曲线进行对比，证实多材料拓扑优化的可行性。
30、采用上述技术方案，本发明具有以下优点：
31、本发明提供一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法，相比于单材料超结构设计，多材料超结构设计旨在通过在结构中合理分布多种不同材料，在规定的设计域内找到最优的材料布局，从而在满足一个或多个设计约束的同时最大化或最小化某些目标。在这种方法中，设计空间被分割成多个单元格，每个单元格可以使用不同的材料，从而实现对结构性能的精细控制，通过灵活地调整材料分布，可以实现水下低频宽带高吸声性能。该多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法可实现多材料的微观结构拓扑优化设计，得到宏观的等效弹性刚度矩阵，在水下吸声超结构中实现低频宽带的吸声系数曲线，且该多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法在不同多材料体系下具有很好的通用性，同时可以规避大量有限元计算，提高优化效率并降低计算成本。
1.一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法，其特征在于，所述s1包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法，其特征在于，所述s11中的微观元胞结构角度研究声波传播过程质点的等效参数并考虑实际边界条件包括不同介质间的边界条件，推导超结构模型吸声性能与宏观等效力学参数，弹性波特性之间的解析关系，计算出水下吸声超结构的理论预测吸声系数曲线与预测模型。
4.根据权利要求2所述的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法，其特征在于，所述s12包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法，其特征在于，所述s2包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法，其特征在于，所述s21包括以下步骤：
7.根据权利要求5所述的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法，其特征在于，所述s22包括以下步骤：
8.根据权利要求5所述的一种多材料体系下水下吸声超结构逆向设计方法，其特征在于，所述s3包括以下步骤：
