Design Optimisation and Validation of Phononic Crystal Plates for Manipulation of Elastodynamic Guided Waves

این پایان‌نامه طرح‌های جدیدی از صفحات کریستالی آوایی (PhPs) را پیشنهاد می‌کند که به محدوده فرکانس کنترل‌پذیری فوق‌العاده گسترده امواج هدایت‌شده در فرکانس‌های پایین، با ویژگی‌های ساختاری و قابلیت تنظیم امیدوارکننده اجازه می‌دهد. این گزارش در مورد بهینه‌سازی توپولوژی PhP‌های دولایه (1D) است که به حداکثر عرض باند نسبی (RBW) در بخش‌های پرکننده هدف اجازه می‌دهد و عملکرد چند مقیاسی PhP‌های گرادیان را نشان می‌دهد. همچنین یک روش بهینه‌سازی توپولوژی چند هدفه را برای PhP‌های متخلخل دوبعدی معرفی می‌کند که به حداکثر RBW و سختی درون صفحه اجازه می‌دهد و به نقش حیاتی در نظر گرفتن سختی در طراحی PhP‌های متخلخل می‌پردازد. سپس روش بهینه‌سازی توپولوژی چند هدفه برای طراحی PhP‌های متخلخل دوبعدی با قابلیت تنظیم‌پذیری ناشی از تغییر شکل گسترش می‌یابد. انواع طرح‌های نوآورانه‌ای معرفی شده‌اند که RBW پهنای باند حداکثری آن‌ها توسط تغییر شکل محدود خارجی افزایش می‌یابد، تخریب می‌شود یا نسبت به تغییر شکل محدود خارجی حساس نیست. این کتاب نه تنها به چالش‌های روش‌های بهینه‌سازی توپولوژی جدید برای طراحی محاسباتی بلورهای صوتی می‌پردازد. با این حال، مناسب بودن و کاربردی بودن طرح‌های توپولوژیکی را با اعتبارسنجی تجربی نشان داد. علاوه بر این، یک بررسی جامع از روش‌های مبتنی بر بهینه‌سازی موجود برای طراحی ساختارهای فراماده آکوستیک متناهی غیر تناوبی، ساختارهای شبکه فرامواد صوتی و فرامواد صوتی تحت تناوب کامل ارائه می‌دهد.

This thesis proposes novel designs of phononic crystal plates (PhPs) allowing ultra-wide controllability frequency ranges of guided waves at low frequencies, with promising structural and tunability characteristics. It reports on topology optimization of bi-material-layered (1D) PhPs allowing maximized relative bandgap width (RBW) at target filling fractions and demonstrates multiscale functionality of gradient PhPs. It also introduces a multi-objective topology optimization method for 2D porous PhPs allowing both maximized RBW and in-plane stiffness and addresses the critical role of considering stiffness in designing porous PhPs. The multi-objective topology optimization method is then expanded for designing 2D porous PhPs with deformation induced tunability. A variety of innovative designs are introduced which their maximized broadband RBW is enhanced by, is degraded by or is insensitive to external finite deformation. Not only does this book address the challenges of new topology optimization methods for computational design of phononic crystals; yet, it demonstrated the suitability and applicability of the topological designs by experimental validation. Furthermore, it offers a comprehensive review of the existing optimization-based approaches for the design of finite non-periodic acoustic metamaterial structures, acoustic metamaterial lattice structures and acoustic metamaterials under perfect periodicity.