含裂纹缺陷的预扭壳结构非线性振动特性研究

基于扩展等几何方法和一阶壳体剪切变形理论建立了含裂纹缺陷的功能梯度预扭壳结构的非线性振动控制方程。控制方程中考虑了预扭壳结构的预扭角度及几何非线性,应用扩展等几何方法,采用反映位移变化的富集函数来描述裂纹的位置及长度,一方面可以提高计算精度,另一方面可以避免在裂纹处的网格加密,提高计算效率。采用了直接迭代法求解非线性振动控制方程。通过与现有文献结果对比,证明了本文方法的正确性和稳定性。在此基础上,探究裂纹对功能梯度预扭壳结构非线性振动频率的影响,研究了预扭角度、裂纹位置及长度和材料的功能梯度指数等参数对预扭壳非线性振动特性的影响规律。

穿孔板-膜腔复合型隔声罩隔声特性研究

针对低频隔声问题,本文提出一种穿孔板-膜腔复合型隔声结构。基于有限元法建立了隔声结构单胞模型,开展了单胞模型声学特性分析及构型优化;在此基础上,建立大尺寸穿孔板-膜腔复合型隔声板数值仿真模型,探究其隔声性能及框架对隔声性能的影响规律,结合仿真结果开展多层薄膜型隔声板隔声性能研究;建立穿孔板-膜腔复合型隔声罩仿真分析模型,分析多层薄膜型隔声罩的隔声性能,设计附加吸声材料的多层薄膜型隔声罩;研制隔声罩样件,实验证明该样件具备较好的低频隔声性能。

静压下带金属孔板声学覆盖层的耐压与吸声特性

为改善静水压力作用下传统声学覆盖层的吸声性能,提出了将金属孔板插入传统声学覆盖层中的水下声学覆盖层结构。以静力学方法研究了该声学覆盖层结构在不同静水压力下的形变情况。通过建立静水压力作用下的声学有限元方程,分析了该声学结构在不同静水压力下的吸声效果。与传统声学覆盖层相比,在静水压力为0~6 MPa时,该声学结构在中、高频段获得了更好的宽频吸声效果。此外,还讨论孔板厚度、孔板材料及孔板孔隙率对该声学结构吸声性能的影响。研究表明设计含金属孔板声学覆盖层可有效改善静水压力条件下水下声学结构的吸声性能。

一般边界条件下功能梯度板流激振动声辐射研究

为了研究嵌于无限大障板中的功能梯度板在湍流激励下的振动声学特性,基于湍流边界层壁面脉动压力互功率谱密度函数、切比雪夫谱方法、瑞利积分以及流体与结构耦合面的连续性条件,通过能量法建立了一般边界条件下功能梯度板的流激声振耦合模型。该模型能够精确预测功能梯度板在湍流激励下的振动及声辐射响应,与解析解和试验值的吻合验证了算法的准确性。对一般边界条件和梯度指数的研究表明:边界弹簧刚度较大时,功能梯度板在低频具有较低的流激声振响应,而高频时的辐射声压有所升高。随着梯度指数的增大,流激振动及其辐射声压的峰值频率逐渐增大,而峰值频率对应的响应值减小。

复合围壳-上层建筑结构流激振动噪声特性

为降低水下航行器在高航速下的流激噪声,提升其性能,将复合材料应用于围壳和上层建筑,利用数值计算方法研究围壳-上层建筑结构外部流场的特点及内部流激噪声的变化规律,对比全金属材料与复合材料下围壳-上层建筑结构流激噪声的变化规律及不同工况下复合围壳-上层建筑结构流激振动噪声的变化规律。研究表明:围壳-上层建筑结构内部的流激噪声分布主要与场点到结构表面的距离有关;全金属材料围壳-上层建筑结构的流激噪声整体上大于复合材料围壳-上层建筑结构的流激噪声;围壳-上层建筑结构的流激噪声随速度的增大而增大。研究结果可供复合材料在潜艇降噪领域的应用参考。

冰层边界下壳体结构声振特性数值分析

为厘清极区环境下水下航行器与海冰边界之间的声振耦合机理,基于Virtual.Lab软件,采用有限元和边界元法对无限大冰区进行建模和验证计算,并采用声振耦合方法建立壳体-海水-海冰的多维度多场耦合模型,分析冰层厚度和壳体与冰层之间的距离对结构振动和声辐射的影响。研究表明:冰层边界对结构振动的影响较小,对声辐射的影响较大;冰层边界在低频段对声波的反射大于自由液面对声波的反射;随着频率的升高,冰层边界对声波的反射逐渐小于自由液面对声波的反射;随着冰层厚度的增加,冰层对声波的反射作用逐渐增强;随着壳体与冰层边界之间距离的增加,冰层对声波的吸收作用逐渐减弱。研究成果可供极区环境下水下航行器的声振特性研究参考。

球-柱-球复合壳体结构声辐射建模及特性分析

针对典型复合材料轴对称结构的外部声辐射问题,本文建立了基于结构完整边界的广义谱-配点边界元法的结构声辐射分析模型。从一阶剪切层合壳理论出发,推导了复合材料结构振动能量方程,引入广义谱方法和边界元方法的思想,将Helmholtz积分方程转化为边界积分方程,再将位移、声学变量和Green函数等展开为周向Fourier多项式和轴向Chebyshev多项式的形式,经化简得到一维半解析声振耦合求解的声场方程。对于浸没在轻质和重质流体中的壳体结构,均采用强耦合的处理方式对结构声问题进行求解。通过数值结果验证了本文方法的正确性,分析了各向同性均匀材料和正交各向异性球-柱-球复合壳体的声辐射问题,并讨论了不同载荷方式、铺层角度等因素对复合壳体结构声辐射的影响。结果表明:对于铺层为[90°/±θ/0°]S的玻璃纤维材料复合壳体结构,随着铺层角的增大,组合结构的轴向拉伸和弯曲刚度逐渐减小,周向的刚度得到加强,并在结构弯曲-扭转耦合效应的作用下,壳体结构的辐射声功率级响应曲线的峰值频率向高频发生偏移。

穿孔板-膜腔复合型隔声板隔声特性研究

为解决动力设备运转过程中所产生低频噪声的问题,在薄膜型声学结构的基础上,提出一种穿孔板-膜腔复合型声学结构,采用有限元方法探究结构的声振特性及其隔声机理。以穿孔板-膜腔复合型声学结构为基础,建立大尺寸隔声壁板模型,系统探究结构尺寸、材料参数及构型方式对其隔声性能的影响规律,并结合仿真结果提出一种多层薄膜型穿孔板-膜腔复合型隔声板设计方案,可有效拓宽结构隔声频带,改善隔声性能。

尾流激励下功能梯度叶片动力学行为研究

为探究尾流激振力作用下旋转功能梯度叶片的振动特性,本文建立了具有任意预置角的旋转功能梯度叶片模型,并对其动力学行为展开研究。基于改进Fourier级数对旋转叶片的振动位移场进行拟合,采用罚函数实现叶片任意边界约束,尾流激振力展开为多项正弦谐波叠加的形式,通过Ritz法对旋转叶片的振动问题进行求解。经过与文献中结果对比验证了方法的收敛性和正确性,并给出新的计算结果和关键参数分析。研究表明:通过改变功能梯度叶片的组分分布可以调整其固有频率;叶片各阶固有频率会随转速、轮毂半径、预置角的增加而增大;在转速范围一定时,谐次越高的尾流激振力谐波引起的临界转速也越多。

弹性板结构封闭声腔的结构-声耦合特性分析

对弹性板封闭声腔结构-声耦合机制、耦合特性、耦合作用对系统固有频率和模态的影响以及影响结构-声耦合程度的系统物理参数进行了深入的理论与数值仿真分析,并导出了耦合系统固有频率估计式。结果表明：强耦合系统具有较强的闭环反馈系统特征,弱耦合系统具有较强的前馈系统特征；正是由于反馈环节的存在,改变了结构、声腔系统的固有特性和固有频率；发现了规则结构-声腔模态簇耦合的特性；并且发现模态间的簇耦合机制决定了整个结构-声腔系统的耦合作用；任何一簇的结构或声模态仅独立影响其同一簇的声或结构模态以及其耦合后的模态固有频率,而对其它簇的模态没有影响；模态间的簇耦合作用不仅能改变系统固有频率,还会改变耦合系统模态次序和板奇奇模态的模态形状。

基于可调频亥姆霍兹共振器的封闭空间噪声自适应半主动控制

针对实际中声场激励频率可能发生变化的情况,研究采用自适应频率可调的亥姆霍兹共振器吸声器来跟踪激扰频率从而控制封闭空间噪声。建立了封闭声腔与亥姆霍兹共振器耦合的频域模型与时域控制模型,并给出了三种频率调谐控制算法,即亥姆霍兹共振器开口处声压幅值最小和内部声压幅值最大,以及判断内部声压幅值和开口处声压幅值的点积值趋零(点积值法)。理论分析和数值计算结果表明点积值法调频效果明显优于其它两种算法。采用并设计一种颈部面积可调的可调频亥姆霍兹共振器,利用点积值调频算法进行了单频和带宽信号激励下封闭空间噪声控制仿真和单频激励下实验研究,结果表明:点积值调频算法具有较好的频率调节性能和调节精度,并取得了理想的噪声控制效果,验证了理论模型正确性及调频算法的有效性。

基于声辐射模态的双层板声传输有源控制数值仿真和分析研究

针对双层板结构声有源控制(ASAC)的应用实施过程中全局控制目标函数和误差信号的获取问题,提出了基于辐射模态和结构误差传感的声传输有源控制的思想和策略,建立了双层板腔结构声传输系统及辐射模态控制分析模型。在此基础上对双层板腔声传输有源控制进行了数值仿真和分析研究,重点探讨了控制方法策略及系统参数对有源控制效果的影响及其对应的控制机理。结果表明:在低频范围内,仅需控制前四阶辐射模态声功率,便能和总的辐射声功率最小控制效果基本一样;在低频段声腔(0,0,0)模态在系统耦合响应中起主导作用,因此相比入射板和辐射板作动器控制,利用腔中次级声源作动的控制策略是一种更好的控制策略。

基于分布式体积速度传感的结构声辐射有源控制实验研究

以简支矩形薄板为研究对象,首先在波数域内对结构振动体积速度与辐射声功率的关系进行分析,推导出反映结构模态对体积速度贡献规律的数学表达式。在此基础上,结合PVDF(Polyvinylidene Fluoride)压电薄膜的电荷输出方程,利用三角函数的正交性,给出一种方法来设计体积速度传感器,并针对具体模型进行了结构体积速度测量实验。结果表明,所设计的分布式体积速度传感器具有较好的传感精度。在此基础上,利用所设计的传感器进行了结构声辐射有源控制实验研究,分别针对单频和带宽信号激励情况下的有源控制实验取得了满意的控制效果,从而验证了本文PVDF体积速度传感器设计方法的正确性以及通过PVDF膜传感结构声辐射并作为误差传感器进行有源控制的有效性。

双层板腔结构声传输及其有源控制研究

利用子系统模态综合方法,结合阻抗-导纳矩阵法,建立了双层板腔结构向自由空间声传输及其在入射板PZT控制、辐射板PZT控制,和腔中次级声源作动等多种控制策略下,系统物理模型的统一的分析模型,导出了系统模态响应及最优次级源强度的统一的阻抗-导纳矩阵表达式。该模型表达式各部分物理意义清晰、明确,便于进行系统耦合理论、有源控制及其机理的分析和数值研究。然后,在此基础上对双层板腔结构声传输有源控制进行了全面深入的数值计算和分析研究,重点探讨了控制方法策略及系统参数对有源控制效果的影响及其对应的控制机理。结果表明:入射板PZT作动辐射声功率最小控制策略是通过入射板、声腔和辐射板三个子系统的模态抑制或重组达到消声的目的,涉及多种复杂控制机理,对入射板、辐射板和声腔模态均有效,但对入射板模态更有效;在低频段声腔(0,0,0)模态在系统耦合响应中起主导作用,因此利用腔中次级声源作动能获得较理想的控制效果,是一种较好的控制策略;由于声腔模态与结构模态间复杂的耦合关系,使得某些频率处腔中声势能一定程度上的降低并不一定导致系统声传输损失的增加,因此,腔中声势能最小控制策略不一定能够获得理想的声传输控制效果。

基于声辐射模态的有源结构声传入及其辐射控制

从辐射模态的概念和角度研究利用结构误差传感方法对弹性封闭空间结构声辐射进行传感和有源控制。首先分析了辐射模态的数学和物理意义并揭示了辐射模态与声腔模态之间的内在耦合关系。通过声辐射模态建立了弹性封闭空间结构声辐射传感和有源控制模型,并提出了通过传感器阵列测量结构表面有限点的振速分布和设计特定的辐射模态空间滤波器来获得控制所需的误差信号。在此基础上对封闭空间结构声辐射有源控制和误差传感策略进行了深入的理论和数值仿真分析,重点讨论了传感器的数量和布放对辐射模态传感及其有源控制效果的影响。结果表明:辐射模态与声腔模态的耦合具有严格的选择性,各阶辐射模态的形状和与相耦合的主导声模态在耦合面上的形状非常相似;利用结构传感技术传感封闭空间的辐射模态时测点不足或空间采样不足将可能产生较严重的模态泄漏问题,使得不希望的结构模态泄露进所测的辐射模态当中来。在低频范围内,一般只需传感并最小化前三阶有效辐射模态声势能,在更低频和空间声模态频率附近,只需最小化前一阶最有效辐射模态声势能,便能和总声势能最小化策略控制效果基本一样。

通过辐射模态研究封闭空间结构声辐射及其有源控制

通过辐射模态研究了封闭空间的结构声辐射及其有源控制问题.分析了辐射模态的数学和物理意义并揭示了辐射模态与声腔模态之间的内在耦合关系,并通过声辐射模态建立了弹性封闭空间结构声辐射有源控制模型.针对辐射模态在有源控制中的应用实现问题,给出了一种新的控制策略,即将辐射模态按对应辐射效率或耦合强度从大到小排列,使前k阶声辐射模态声势能最小化.采用压电陶瓷作动器作为控制力源进行了封闭空间结构声辐射有源控制数值计算与分析研究.结果表明,辐射模态与声腔模态的耦合具有严格的选择性,各阶辐射模态的形状和与相耦合的主导声模态在耦合面上的形状非常相似;在低频范围内,一般只需最小化前三阶辐射模态声势能,在更低频或声模态频率附近,只需最小化前一阶最有效辐射模态声势能,便能和总声势能最小化策略控制效果基本一样.

非规则封闭空间声场建模的Chebyshev-变分法及其固有声学特性分析

针对非规则封闭空间声场建模问题,提出了一种基于Chebyshev-变分原理的声场建模方法。该方法首先选取包络非规则声场的矩形空间并将此矩形空间内的声压函数展开成三重Chebyshev级数形式,然后通过坐标变换得到定义域空间中的声场势能和声场动能,最后按照里茨方法对声场的拉格朗日泛函进行求解,得到声场的特征方程并求得声场固有频率和模态。通过与曲面声场的数值结果对比,验证了本建模方法的正确性和有效性。在此基础上研究具有不同倾角的梯形声场固有特性,分析内部凹槽深度对"凹"型声场频率和模态的影响。结果表明,梯形声场模态会随着倾角增大而逐步演变;"凹"型声场低阶频率随凹槽深度的增加而逐渐减小,但第一阶频率却呈现先减小后增大的特点。

基于分布式压电传感器的结构表面体积速度测量实验研究

以简支矩形薄板为研究对象,首先在波数域内对结构振动体积速度与辐射声功率的关系进行分析,推导出反映结构模态对体积速度贡献规律的数学表达式。在此基础上,结合PVDF压电薄膜的电荷输出方程,利用三角函数的正交性,给出一种新方法来设计体积速度传感器,并针对具体模型进行了结构体积速度测量实验研究。结果表明,所设计的分布式体积速度传感器具有较好的传感精度,进而说明了方法的正确性。同时还发现PVDF压电薄膜制作工艺与粘贴位置的偏差对其传感精度在一定频带内有较大影响,并且对不同位置激励下传感的影响程度不同。

大型复杂圆柱壳中高频振动噪声仿真计算方法研究

建立大型复杂圆柱壳中高频振动噪声仿真计算方法,对于解决船舶和飞机等大型复杂结构的辐射噪声预报问题具有重要意义。介绍了完美匹配层流固耦合计算方法,并成功应用于大型复杂双层圆柱壳的水下辐射噪声预报,相对于传统的声学流固耦合有限元和边界元计算方法,使外部流场域模型至少缩小了11/15。探讨了环频率和阻尼对圆柱壳结构振动传递的影响,提出了求解中高频声学问题时大型圆柱壳复杂结构仿真建模处理方法。数值算例表明,发展的PML方法和模型简化方法是合理的,可应用工程问题研究。

封闭声腔的结构-声耦合的瞬态响应及固有特性分析的时域有限体积法

基于波动理论,采用时域有限体积法(TDFVM)研究封闭声腔结构-声耦合问题的瞬态响应及固有特性。该方法在结构与流体区域分别求解结构动力学方程与非均匀介质中的声波动方程,根据流固分界面上的力平衡与质点振速连续条件实现结构-声耦合。通过数值算例验证方法的正确性和精确性,在此基础上研究封闭声腔结构与空气耦合的瞬态响应及固有特性,分析水深变化对耦合系统声振特性和固有特性的影响。结果表明,随着水深的增加,结构与水的耦合会更加强烈,导致耦合系统的特征频率降低,同时空气腔深度的减小,导致声腔的部分固有频率增加。该法对计算机内存要求低,且可以考虑含有非均匀流体的结构-声耦合。