Vibroacoustic Optimization of Sandwich Structures with Auxetic Cores

Abstract

This research describes the vibroacoustic behavior of sandwich structures with various core topologies. In the first part of this research a novel core topology made from 2- Dimensionally gradient auxetic hexagonal honeycombs has been proposed. The 2D gradient core enables a tailoring of localized mechanical properties of the sandwich structure in different regions of the panel. A homogenized finite element modeling is used to determine the mechanical properties of the sandwich structures. The natural frequencies and the radiated sound power level of the sandwich plate with the homogenized properties have been calculated and verified with those obtained from a exact FE model of the sandwich structure. The geometry of the 2Dimensionally gradient auxetic core has been then optimized using two different techniques in order to minimize the radiated sound power level over the frequency range of 0 to 200 Hz. The optimized design of the 2D gradient core shows a remarkable reduction of the radiated sound power level for the sandwich structure when taking into account the mass of the structures. In the second part of this study this 2D gradient core topology concept is used in a sandwich structure with anti-tetrachiral cores. The same homogenized finite element approach is used to determine the mechanical properties of the anti-tetrachiral core and a multivariable optimization procedure is applied to minimize the radiated sound power level of the sandwich structure over the frequency range of 0 to 200 Hz. In this part a mass constrained optimization procedure is conducted. The maximum increase in the total mass is considered to be 10% of the mass of the base line configuration. The optimized structure shows a significant reduction in the radiated sound power level accompanied by an increase in the natural frequencies of the sandwich structure.This study provides new insights about the vibroacoustic behavior of auxetic sandwich structures with complex core geometries. Keywords: auxetic, hexagonal, chiral, anti-tetrachiral, 2D gradient, sandwich structure, vibroacoustic, optimization, genetic algorithm, MMA

ÖZ: Bu araştırmada, çeşitli temel topolojilere sahip sandviç yapıların vibroakustik davranışları incelenip analiz edilmiştir. Bu araştırmanın ilk bölümünde, 2 boyutlu (2D) auxetik altıgen peteklerden yapılmış yeni ve daha önce çalışılmamış bir temel topoloji önerisi yapılmıştır. 2D gradyan çekirdek, sandviç yapısının lokalize mekanik özelliklerini panelin farklı bölgelerinde tanımlamayı sağlamaktadır. Bu doktora tezinde, sandviç yapıların mekanik özelliklerini belirlemek için homojenize edilmiş bir sonlu elemanlar modellemesi kullanılmıstır. Bu çalışmada, homojenleştirilmiş özelliklere sahip sandviç plakanın doğal frekansları ve ses yayılım gücü seviyesi, sandviç yapının tam ölçekli ve ayrıntılı modeli yaratılarak çalışılmış, daha sonra elde edilen sonuçlar hesaplanmış ve doğrulanmıştır. Modellemeden sonra, 2D auxetik çekirdeğin geometrisi, 0 ile 200 Hz frekans aralığı boyunca yayılan ses gücü düzeyini en aza indirgemek için iki farklı yöntem kullanılarak optimize edilmiştir. 2D çekirdeğin optimize tasarımında, panellerin kütlesi de dikkate alındığı zaman, yayılan ses gücü düzeyinde belirgin bir düşüş görülmüştür. Bu çalışmanın ikinci bölümünde, bu 2D gradyan çekirdek topolojisi, anti-tetrakiral çekirdek olarak sandviç yapıda kullanılmıştır. Bir sonraki adımda, aynı homojenize sonlu elemanlar yaklaşımı, anti-tetrakiral çekirdeğin mekanik özelliklerini belirlemek için de kullanılmıştır. Buna ek olarak, çok değişkenli optimizasyon prosedürü, 0 ile 200 Hz frekans aralığında sandviç yapının yayılan ses gücü düzeyini en aza indirmek için uygulanmıştır. Optimizasyon sonucunda, toplam kütlenin maksimum artışı, orijinal kütlenin % 10'u olarak bulunmuştur. Optimize edilmiş yapı, yayılan ses gücü düzeyinde sandviç yapının doğal frekanslarındaki artışa eşlik eden belirgin bir azalmayı göstermektedir. Bu çalışma, kompleks çekirdek geometrili auxetik sandviç yapıların vibroakustik davranışıyla ilgili yeni bilgiler sunmakta ve bu alanda önemli bir katkı sağlamaktadır. Anahtar kelimeler: auxetik, altıgen, şiral, anti-tetrakiral, 2-D gradyan, sandviç panel, vibroakustik, optimizasyon, genetik algoritma