(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111276018.0 (22)申请日 2021.10.2 9 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 刘赫男　秦彪　陈明君　吴春亚　 程健　 (74)专利代理 机构 黑龙江立超同创知识产权代 理有限责任公司 23217 代理人 杨立超 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01)G06F 119/08(2020.01) G06F 119/06(2020.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子 结构参数优化方法 (57)摘要 一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子 结构参数优化方法， 涉及半球谐振子结构参数优 化技术领域， 用以解决现有技术不能对半球谐振 子结构参数进行优化以提高品质因数的问题。 本 发明的技术要点包括： 从能量角度定义半球谐振 子的品质因数， 影 响品质因数的阻尼机理包括热 弹性阻尼和支撑损耗； 建立理想半球谐振子的总 品质因数与热 弹性阻尼和支 撑损耗之间的关系； 改变半球谐振子每个结构参数的尺 寸， 分别计算 其对应的总品质因数， 选择每个结构参数中总品 质因数最高的尺寸为最优结构参数尺 寸。 本发明 提高了半球谐振子结构优化的效率， 缩短了半球 谐振子的设计周期。 权利要求书2页 说明书9页 附图3页 CN 114021276 A 2022.02.08 CN 114021276 A 1.一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方法， 其特征在于， 半球谐 振子结构包括半球壳和支撑杆， 所述半球壳和所述支撑杆之间采用过渡圆角进行过渡； 半 球谐振子结构参数包括半球壳半径、 半球壳厚度、 支撑杆直径、 支撑杆长度以及半球壳和支 撑杆连接处的过渡圆角半径； 所述优化方法包括以下步骤： 首先， 从能量角度定义半球谐振子的品质因数， 所述品质因数为半球谐振子一个工作 周期所储存能量与损耗能量的比值； 影响品质因数的阻尼机理包括热弹性阻尼和支撑损 耗； 然后， 按照下式建立理想半球谐振子的总 品质因数Q与热弹性阻尼和支撑损耗之间的 关系： 式中， QTED表示由热弹性阻尼决定的品质因数； Qanchor表示由支撑损耗决定的品质因数； 最后， 改变半球谐振子每个结构参数的尺寸， 分别计算其对应的总品质因数， 选择每个 结构参数的不同尺寸所对应的总品质因数最高的尺寸 为最优结构参数尺寸。 2.根据权利要求1所述的一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方 法， 其特征在于， 对于半球谐振子每个结构参数 的不同尺寸， 计算获得其对应的、 由热弹性 阻尼决定的品质因数QTED为： 式中， ρ、 C、 E、 α和T0分别为半球谐振子材料的密度、 恒压热容、 杨氏模量、 热膨胀系数和 初始温度， ω为半球谐振子的谐振频率， τ 为半球谐振子的热传递时间常数。 3.根据权利要求2所述的一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方 法， 其特征在于， 半球谐振子的热传递时间常数包括穿过半球壳厚度方向热流的热传递时 间常数τacross‑h、 穿过过渡圆角壁厚热流的热传递时间常数τacross‑z、 沿着过渡圆角附近支撑 杆圆周方向热流的热传递时间常数τalong‑r； 其中， 穿过半球壳厚度方向热流的热传递时间常数τacross‑h利用下式计算获得： 式中， d表示半球谐振子材 料的热扩散率； h表示半球壳壁厚； 穿过过渡圆角壁厚热流的热传递时间常数τacross‑z利用下式计算获得： 式中， 表示穿过过渡圆角热流的平均热路径长度； 沿着过渡圆角附近支撑杆圆周方向热流的热传递时间常数τal ong‑r利用下式计算获得： 式中， r表示过渡圆角边 缘处的球壳半径。 4.根据权利要求1所述的一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114021276 A 2法， 其特征在于， 利用有限元软件建立半球谐振子热弹性阻尼仿 真模型， 输入半球谐振子的 谐振频率和阻尼系数， 对于 半球谐振子每个结构参数的不同尺寸， 仿 真获得其对应的、 由热 弹性阻尼决定的品质因数QTED为： 式中， ω为半球谐振子的谐振频率， δ 为非受迫振动的阻尼系数。 5.根据权利要求1所述的一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方 法， 其特征在于， 对于半球谐振子每个结构参数 的不同尺寸， 计算获得其对应的、 由支撑损 耗决定的品质因数Qanchor的具体过程包括： 利用有限元软件， 在仿 真模型基底部 分的外边界 添加一层半球型的完美匹配层P ML作为非物理吸收层， 建立半球谐振子支撑损耗仿 真模型， 设置参数包括PML外半径RPML和PML内半径rPML； 当PML内半径rPML＝20r0时， 由支撑损耗决定 的品质因数Qanchor稳定收敛到常数， 该常数即为由支撑损耗决定的品质因数Qanchor； 其中， r0 ＝d/2， d表示支撑杆直径。 6.根据权利要求5所述的一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方 法， 其特征在于， 所述半球谐振子支撑损耗仿真模型中PML外半径RPML为PML内半径rPML加上 弹性波的波长λ； 其中， 弹性波的波长λ等于声音在基底材料中的传播速度与半球谐振子谐 振频率的比值。 7.根据权利要求1所述的一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方 法， 其特征在于， 所述最优结构参数尺寸为： 半球壳半径取值范围为10～15mm， 半球壳厚度 取值为1mm， 支撑杆直径取值为7mm， 支撑杆内长度取值为15mm， 支撑杆外长度取值为5mm， 过 渡圆角半径取值 为2.5mm。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114021276 A 3