轻质隔声夹层板结构声振耦合拓扑优化

为了满足夹层板结构轻质及隔声性能优化需求,提出了一种基于线性材料插值模型的三场浮动投影动力学拓扑优化方法,进行夹层板结构声振耦合拓扑优化设计。首先,结合混合位移/声压(u/p)有限元格式和线性材料插值模型,解决多场耦合界面依赖性问题和低密度区域局部模态问题;其次,面向三维轻质夹层板结构声振耦合特性,建立以隔声性能最大化为目标,轻量化体积分数为约束的优化范式;第三,依托阻抗管隔声性能试验场景,对三维夹层板结构有限元数值模型进行拓扑优化设计,并结合阻抗管试验验证方法的准确性和有效性;最后,将所得优化构型与常见夹层板构型的隔声性能进行对比。研究结果表明:采用所提方法可获得性能优越的新颖拓扑构型,1100~1300 Hz优化目标频段对应的优化目标隔声性能即传声损失总值从197.62 dB提升到205.09 dB,且数值仿真结果与试验结果吻合良好。在结构同等质量下,优化目标频段拓扑构型的隔声量性能优于常见开孔/闭孔矩形蜂窝状、蜘蛛网状夹层板结构的隔声量性能。

考虑声振耦合的阻尼板声辐射拓扑优化

针对阻尼材料分布对车轮振动引起的声辐射抑制作用问题,以国内现有某直辐板型车轮阻尼板为例,结合声振耦合理论,以阻尼板一阶峰值频率激励下的声辐射功率最小化为目标函数,阻尼材料的体积分数为约束条件,通过直接求导法推导目标函数在一阶峰值频率激励下的灵敏度,采用渐进优化算法获得最优阻尼构型并基于实测频响验证了计算的准确性。研究结果表明:阻尼车轮在整个频域范围,振动频响函数幅值明显低于标准车轮,安装了经阻尼布局优化后的阻尼板车轮在2000、3150、4000 Hz处的声功率级相比全覆盖时分别下降了6、5.5、2.8 dB,声场声压级最大值下降了6.9 dB;相比优化前在(r,5)处的频响从1.76 m/s^(2)下降到0.39 m/s^(2),且高频振动响应均有所减弱。

基于分片传递函数法的声振耦合

强耦合条件下,复杂系统的有限元分析受到自由度的影响计算成本高昂。虽然模态叠加技术能减少耦合系统的自由度,但基于忽略不同子系统间高阶模态和低阶模态耦合作用的假设,若使用非耦合模态可能导致收敛性差。基于无阻尼声振耦合方程,本文采用分片传递函数法(Patch transfer function method,PTFM)将耦合面处理成一系列独立的分片,每个分片上所属单元节点值的平均值定义为分片传递函数,通过使用连续性关系计算耦合系统的分片传递函数。将耦合矩阵的求逆简化为源点到响应点的传递函数,可以快速计算耦合系统响应值。分别利用直接耦合法(Direct coupling method,DCM)和分片传递函数法计算板和空气声腔耦合模型,验证分片传递函数法的有效性,并讨论了分片传递函数的算法原理和计算误差。

声振耦合分析方法在二次辐射噪声预测中的应用——以广州市云珠酒店为例

近年来,随着国内大城市轨道交通运输的快速发展,地铁网络建设日新月异。地铁在给人们带来快捷和便利的同时,地铁列车运行引起的振动和噪声对周围环境和周边居民生活造成负面影响的问题日益凸显。为了评估地铁引起的二次辐射噪声影响并提高预测精度,文章以广州市地铁二号线列车运行产生的振动噪声对临近的云珠酒店的影响为例,采用声学-固体边界声振耦合计算的有限元方法,分析了地铁导致的周围建筑物室内二次噪声的空间分布特征。模拟结果显示,建筑物内测点实测值与仿真值比较,除了20~50 Hz的低频预测值比实测值稍小外,其他频段的一致性较好,二者的误差均在3 dB以内,说明本研究选用的声振耦合仿真方法可以减少人为设定的误差,提高了对地铁运行产生的周围建筑物二次噪声的预测精度,为将来进行相关的研究提供了一种较为可靠的预测方法。

水下平板结构声振耦合分析的等效源法研究

水下航行体在水下辐射的噪声是水下目标探测的主要信息来源,快速精确地计算其辐射噪声特征参数对于结构的声辐射预报与控制具有十分重要意义。不同于空气中结构声辐射的预报,重流体介质如水中结构的噪声计算,由于结构振动和声场之间存在的耦合作用以及边界面上计算中存在的奇异积分问题,导致传统的边界元方法在计算效率和精度上受到一定限制。为此,利用波叠加原理,通过在结构内部分布点声源等效模拟振动产生的结构外声场,并根据结构与介质的边界连续性条件和体积速度匹配原则,构建了声振耦合动力学方程,以求解相应的等效源强度,进一步计算了声功率等声学参数。以水下置于无限大障板上的矩形板为案例,采用所提方法计算其声功率,并与解析解进行对比,证明了该等效源法的有效性。

基于声振耦合的球阀振动噪声数值分析

针对蒸汽球阀在工程实践中的噪声问题,本文采用声固耦合的数值模拟方法,研究了球阀的结构模态特性以及阀体管道的辐射振动噪声响应问题。研究结果表明:阀后管道内产生的流场最为紊乱,同时该处高速射流对阀体管道的冲击作用最剧烈,从而诱发出更高的振动噪声。阀体管路的前两阶振型为前后管段沿着管道的纵向发生的扭动,第3、4阶振型则为前后管段沿着管道的横向发生的扭动及阀体法兰部件的略微振动。阀体管道的振动加速度在轴向上,主要是出口法兰上的声压级值更大,在纵向上,则是进口法兰的声压级值更大。此外,球阀的开度对于阀门声压频谱特性的影响较小,主要体现在峰值上的变化,其最大声压级值为80%开度时3000 Hz下的76.5 dB。

TBL脉动压力激励下锥柱壳及内声场声振耦合分析

本文首先建立了简单锥柱壳及其内部声场的声振耦合动力学分析模型,包括有限元模型和统计能量模型;然后结合混响场试验结果修正分析模型;最后通过湍流边界层经验模型施加激励,模拟飞行过程中的非定常气动环境,采用修正后的动力学分析模型开展声振耦合动力学分析,讨论锥柱壳结构响应及其内部声场响应情况,为后续开展减振降噪设计打下基础。

船用齿轮箱多体动力学仿真及声振耦合分析

基于多体系统动力学理论,综合考虑齿轮副时变啮合刚度、齿侧间隙、轴承支撑刚度等内部激励以及螺旋桨外部激励,建立了含传动系统及结构系统的船用齿轮装置多刚体系统动力学模型,计算了齿轮副动态啮合力及轴承支反力;对齿轮箱及支座进行柔性化处理,形成多柔体系统动力学模型,采用模态叠加法计算了箱体表面的动态响应.而后以多体动力学分析所得的轴承支反力频域历程为边界条件,建立了箱体声振强耦合分析模型,预估了齿轮箱表面声压及外声场辐射噪声.结果表明,齿轮副动态啮合力、轴承支反力以及箱体动态响应频域曲线的峰值均出现在齿轮副的啮合频率及其倍频处;仿真所得的箱体振动加速度及外声场辐射噪声与齿轮箱振动噪声试验台架实测结果吻合良好.

声振耦合对薄壁圆柱结构动力特性的影响

声振耦合是航空航天飞行器在运行过程中备受关注的问题。针对具有代表性的薄壁圆柱结构,建立声场—结构直接耦合的三维动力学模型,其中结构和声场分别采用实体有限元和三维声单元剖分,并且采用无限元模拟自由声场边界。通过理论和数值分析研究声场中薄壁圆柱结构的模态、幅频响应、相频响应等振动特性的变化规律,讨论声振动对结构动力特性的影响及机理。研究发现声场在大多数情况下降低了结构的固有频率,在低频段声振动相当于给结构增加了附加质量,但是在高频段,声振动和结构阻尼的影响比较相似。随着声场流体密度增大,结构的大多数固有频率值明显减小,结构响应幅值在低频段增大,在高频段减小。声速对声场模态有显著影响,但是对结构模态频率的影响不大。

复合环境激励下的声振耦合分析

基于有限元和边界元理论,建立了仪器舱典型结构的耦合模型,分析了声振耦合对结构响应的影响。当典型结构经受随机振动+混响声场复合环境激励时,采用随机分析的原理,用谱分析的分析方法定性的分析结构的动力响应情况,推导了节点响应谱密度的计算公式,解决了Sysnoise软件同时对声振复合环境进行数值模拟的问题。仿真结果表明:声振耦合影响结构的响应,且在各频率上影响程度不同,在低频时较弱,相当于附加阻尼的效果,随着频率的升高,耦合程度随之加强,改变了结构的响应分布;对声振复合环境数值模拟,在低频部分,随机振动激起的响应占主要部分,随着频率的升高,混响声场激起的响应占主要部分,混响声场激起的模态数也要多于随机振动激起来的。

声振耦合数值模型合理性分析和实验验证

对采用声弹性法、有限元法和边界元法建立的声振分析模型进行了讨论，指出在一定假设条件下三种模型的统一性，同时指出了各种模型的优缺点和适用范围．通过对一个矩形截面弹性壁腔体内部声场和壁面振动的实验测量，说明了各种模型求解时所用简化假设的合理性．

声振耦合声场分析与结构隔振降噪

以实测某鼓风机组管路振动载荷为激励源,应用ANSYS有限元软件和Virtual Lab声场模拟软件模拟楼板振动所产生的室内声场和声场在不同频率下的声振强弱耦合状态。模拟结果表明,声场在400 Hz以下的区域声振耦合不明显,400 Hz以上存在声振强耦合现象,声振强耦合模型的模拟结果与实测结果比较吻合。通过分析载荷谱和噪声频谱的频带特性,选用常见的阻尼隔振器和中间小质量块组成二级隔振系统,计算系统的振动传递系数,达到理想的隔振降噪效果。

一种船舶充液管路声振耦合工程计算方法

船舶充液管路由于其复杂的三维空间与多物理场的耦合,很难对其振动响应进行预报。该文基于阻抗-导纳综合法,提出了一种充液管路声振耦合计算方法,该方法采用阻抗矩阵的表达方式描述了管路元件;对于泵阀等复杂、难以通过解析公式获取的噪声源采用试验测试技术获取。并对文中的计算方法进行了仿真与试验验证,计算、试验结果均表明:文中方法的计算结果数据精确可靠,具有较高的工程应用价值。

基于声振耦合的装载机驾驶室多目标形貌优化设计

对某装载机驾驶室及室内声腔进行建模得到声振耦合模型,通过SIMO法模态试验验证所建模型的准确性,测取悬置点激励力并进行频响分析及室内噪声预测。结合耦合模态频率和噪声曲线峰值频率确定关键优化频率,在驾驶室的最大扭矩工况下进行静力学分析,采用折衷规划法和平均频率法将驾驶室静态整体刚度和多阶关键频率归一为Euclidean距离的多目标函数,对驾驶室进行多目标形貌优化。结果表明:此优化方法在驾驶室结构优化上的应用综合提高了结构整体刚度和多阶关键固有频率,避免了单频优化时频率震荡现象,得到了优化目标的整体Pareto最优解,室内噪声总声压级降低了3.03 d B。

截锥型薄壁结构声振耦合动力特性分析

采用大型通用软件ANSYS,建立截锥型薄壁结构的实体有限元动力学模型,通过与相关实验数据的对比验证了模型合理性。据此,利用无限元模拟自由声场边界,建立声场-截锥型薄壁结构的直接耦合有限元动力学模型。通过数值仿真分析研究了声场中截锥壳结构的振动特性,并讨论了声振动对结构动力特性的影响。研究结果表明:数值仿真结果和截锥壳声振实验数据比较一致。在考虑声场影响后发现:结构位移共振频率值大多有所降低,结构位移共振频率数量显著增多;在低频下,结构位移响应峰值在声场的影响下明显增大;在高频下则明显减小。

车辆变速箱声振耦合系统的声学特性研究

运用声振耦合有限元理论,建立某型车辆变速箱复杂箱体、内部空腔及其构成的耦合系统的有限元模型,并分别进行相应的模态分析;在模态分析的基础上,运用多模型耦合法研究耦合系统的外部噪声响应。分析得到变速箱在声振耦合作用下的声学特性及噪声辐射规律。为进一步展开变速箱的降噪研究提供理论依据和思路。

考虑声振耦合下结构阻尼板降噪拓扑优化设计

弹性板-声腔系统声振耦合研究不仅要计算结构-声场耦合的频率以及振型,还要计算耦合后系统对设计变量的灵敏度。本文采用伴随法得到弹性板上节点位移对阻尼层单元的灵敏度,并使用变密度优化方法对阻尼材料敷设位置予以优化。同时,引入S igm und提出的过滤公式,抑制优化过程中出现的棋盘格现象。分析表明,敷贴约束阻尼层后控制点位置的声压明显减低。与均匀敷贴阻尼相比,阻尼材料敷设位置优化后的结构能有效地抑制声腔内控制点的声压级和减轻结构重量。

腔体声振耦合的对称化有限元模型及其特性研究

建立了在声源与结构载荷共同激励下 ,弹性薄壁腔体声振耦合的对称化有限元模型 ,并对模型特性进行了研究 .证明了即使在模型的质量、刚度矩阵均缺乏正定性的情况下 ,其特征值仍可保持非负性 ,并且在一定条件下仍可采用Rayleigh Ritz法对耦合系统特征问题进行降阶 .最后 ,以一矩形截面弹性薄壁腔体为对象给出了算例 ,并将计算结果与测量结果加以对比 ,二者十分接近 ,从而验证了所提对称化方法的可行性与正确性 .

飞行器结构噪声致振试验及声振耦合响应分析

以高超声速飞行器X-43A为研究对象,建立其有限元结构模型,在动力学实验室进行飞行器结构模型的固有频率测试,通过固有频率计算与试验结果对比,二者误差在1%左右,这表明所建立的结构有限元模型是比较准确的.在高声强混响室进行飞行器结构噪声致振试验,得到飞行器结构测点加速度功率谱密度(power spectral density,PSD)和舱内声场噪声声压级,通过声振耦合数值模拟计算结果与试验值对比.结果表明:数值模拟计算方法对振动噪声环境预测是比较可靠的,结构振动响应与舱内噪声响应的有限元分析与试验结果趋势上较为一致,低频段吻合较好;高频外噪声场引起的飞行器弹性腔体结构振动占据结构振动响应的主要成分,尤其是以结构低阶振动为主,而外噪声场传递到封闭腔体内的噪声也主要是通过结构腔体弹性壁板的低阶振动传播,即使外噪声激励是宽频的,封闭舱内响应噪声的频率主分量仍然是结构的低阶模态振动.

球磨机旋转筒体的声振耦合特性分析

球磨机噪声主要来源于旋转筒体的振动。为减小结构振动产生的噪声,基于结构-声场耦合有限元方法,对旋转筒体的声、振特性进行分析,阐明筒体的结构振动模态特性,结构声模态特性及其声振耦合的关系,并找出对筒体噪声辐射效率贡献量较大的几阶结构模态。该分析结论对球磨机噪声机理的研究、有存储作用。