非共面加筋结构能量有限元分析研究

为了拓展能量有限元分析在复杂耦合结构振动响应预示中的应用,基于能量有限元理论与能量传递系数计算方法,提出一种针对非共面加筋结构的能量有限元建模分析方法,通过与经典文献中的计算数据进行对比验证方法的合理性,再基于算例分析获取非共面加筋结构在单点简谐激励作用下的能量密度分布规律,并与无加筋的情况进行对比.研究表明:横向激励作用下,结构中的弯曲波能量密度明显高于另外两种面内波,并且加强筋的存在会对面内波的传递起到阻碍作用.

能量有限元方法研究进展及其非平面波情况下的改进

能量有限元方法(EFEA)是一种改进的能量类方法,主要用于求解结构中高频的振动响应,可以解决传统能量类方法(如统计能量分析)无法兼顾结构局部质量、刚度、阻尼以及载荷等参数的空间分布,无法得到结构局部响应的问题。相对于有限元方法(FEA),EFEA在中高频响应预示上一般具有更好的计算性能。考虑到EFEA在中高频以及声振耦合分析方面具有的潜在应用价值,本文从EFEA的基本假设、结果可靠性以及改进方法等方面系统介绍了EFEA方法及其研究进展,使用四边简支单板和耦合板对点载荷作用下的单板进行了参数研究,与FEA的结果对比表明,对于受到单点激励的板,通过直接场和混响场能量叠加的方法可以改善EFEA的结果。

基于能量有限元法的耦合层合梁振动分析

为了克服有限元法和统计能量法在中高频段振动分析的不足,本文采用能量有限元法开展了复合材料层合梁的中高频振动分析。基于一阶剪切变形理论,推导了复合材料层合梁的时间平均和空间平均的能量密度和功率,建立结构的能量密度控制方程。根据功率流的连续性建立耦合节点处的连接矩阵,得到总体能量有限元方程。利用有限元方法求解得到对称层合梁的能量密度分布。与波传播法的对比验证了本文耦合层合梁能量有限元模型的准确性。采用Timoshenko梁模型和Euler梁模型计算不同细长比的层合梁的振动,发现转动惯量和剪切变形效应会对较高频段下的振动响应产生显著的影响。耦合角度的增大会增强不同波形之间的转换。能量有限元法适用于传播波波长小于结构尺寸的频段。

功率流理论、统计能量分析和能量有限元法之间的关联性

基于能量的方法由于可以克服传统结构动力学在分析高频问题的某些不足,因而在很多工程领域得到广泛应用。本文全面回顾了功率流理论、统计能量分析、能量有限元法四十年以来的研究进展,以功率流理论为线索,将统计能量分析和能量有限元法进行了较全面的讨论,并将其归纳到基于能量的分析方法的理论框架内。最后,比较三种理论的基本原理,并指出它们在基于类似的能量平衡方程,输入和损耗功率表达形式上的关联性。而且还指出了它们在处理结构振动和声辐射问题上各自适用的频率范围。

随机激励下框架梁结构能量有限元分析

提出了梁结构在随机激励下的能量流分析方程及能量响应和功率流的计算公式,给出了在同时考虑弯曲和纵波场的耦合梁结构条件下计算功率流耦合矩阵的一般方法,用能量有限元分析法对一个受到多个不相关随机激励的框架梁结构的能量响应及功率流进行了计算.结果反映了振动能量在结构内的分布和传递路径,并表明梁的纵波场在耦合梁的能量传递中起到重要作用.用统计能量分析法对该框架梁结构响应进行了求解,通过比较2种方法的计算结果,验证了随机激励下能量有限元分析方法的正确性.

高频弯曲振动梁的随机参数能量有限元分析

为了研究单个结构参数值遵循均匀分布规律随机变化时梁的高频振动响应统计特性,提出了随机参数能量有限元方法。该方法利用传统能量有限元方法,得到了确定梁结构能量密度响应的解析解,运用连续型随机变量的期望和方差公式,得到参数随机时系统任意位置处响应的均值和方差,并与能量密度模态解的蒙特卡罗仿真结果进行了比较。梁的截面宽度、高度及密度随机变化的响应统计特性的对比结果表明,响应方差对截面宽度的变化最敏感,对密度最不敏感,能量密度的方差随梁上位置坐标的增大呈先增大后减小的趋势,在激励点处取得最大值。为了保证系统响应值的稳定,在结构设计时尤其要注意保证截面高度的精度。

基于能量有限元方法的声腔内部噪声预测

为了预测声腔内部噪声,基于能量有限元方法(EFEA)建立了声腔-平板-声腔的EFEA耦合模型,对声腔内部噪声进行了数值计算。建立了声腔-平板-声腔的统计能量分析(SEA)模型,并将EFEA模型的预测结果与SEA模型的预测结果进行了对比。结果表明,二者具有较好的一致性。建立了声腔-前风挡玻璃-声腔的EFEA耦合模型和SEA耦合模型,分别对EFEA和SEA模型的外侧声腔响应进行了仿真分析,并与试验结果进行了对比。结果表明,EFEA预测结果与SEA预测结果以及试验结果均吻合良好,充分显示了本文所建立的声腔-前风挡玻璃-声腔EFEA模型对声腔内部噪声预测的准确性。

能量有限元方法在复合材料层合梁耦合结构振动分析中的应用

以能量有限元方法(EFEM)建立控制方程,研究了复合材料层合梁受激励时的横向振动问题。该方法以结构中的能量密度作为变量,根据波动理论中功率流与能量密度的平衡关系建立了与傅里叶热传导方程类似的二阶偏微分方程组,通过有限元离散得到结构单元节点的能量密度矩阵形式方程。根据耦合连续平衡条件,建立耦合单元节点矩阵,从而对总矩阵方程进行组集及求解,得到结构中能量密度的分布。通过数值算例与传统有限元方法(FEM)结果做了对比,取得了较好的一致性。

基于能量有限元法的功能梯度梁振动分析

功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)由于其优良的结构性能和重要的应用价值,近些年来得到了广泛的研究和关注。采用能量有限元法对功能梯度梁和耦合梁的弯曲振动特性进行研究,推导了功能梯度材料梁的能量密度控制方程、能量有限元矩阵方程以及耦合梁的能量有限元方程,从而得到梁中的能量密度和能量流。以一简支功能梯度梁为例,分别采用该方法和传统有限元法计算了梁弯曲振动时的能量密度,通过对比验证了能量有限元法求解的准确性。在此基础上进一步对耦合功能梯度梁结构的能量密度和能量流进行了求解,得到其能量分布特征。该研究为基于能量有限元法分析复杂功能梯度材料结构的振动特性提供了理论基础。

基于能量有限元法的损伤板结构振动分析

工程结构在服役期间会出现各种形式的损伤,其结构动力学参数和能量传播形式也会随之产生变化,因此基于振动的结构损伤识别得到了广泛的研究并在工程运用中具有重要的意义。采用能量有限元法对含有损伤的平板和耦合板结构的振动特性进行分析,算例分析中分别采用能量有限元法和有限元法对平板的能量密度进行了计算和对比,验证了能量有限元法的准确性。在此基础上提出了基于能量密度变化和结构声强变化的两个损伤指标,并对损伤识别指标进行了可视化分析,随后通过算例对比进一步确定基于能量有限元得到的结构声强变化能够有效地识别板结构的损伤部位,并对含有损伤的耦合板的结构声强进行了研究,为今后将能量有限元法进一步应用到结构损伤识别中提供了基础。

能量有限元法在船舶结构中的应用

为了解决舰船结构的振动噪声预报及其控制问题,以能量密度为变量,获得了薄板结构受激励产生弯曲振动时的能量密度控制方程,并得到了控制方程的有限元解.用该方法对简单的薄板结构进行了验证计算,并对一舰船的基座结构进行了计算分析.由基座结构的能量密度随频率的变化规律得知,在高频范围内,能量比值随频率增加而缓慢减小.改变基座结构的板厚及阻尼系数值,可以使结构的能量密度值明显降低.计算结果表明,由能量有限元法得到的结构中能量密度的比值与实验结果吻合较好,从而验证了本文所用的能量有限元法是一种有效可靠的分析高频振动噪声问题的方法.

能量有限元在振动与噪声预示中的研究进展

能量有限元方法是在波动理论上建立的一种功率流方法,兼具有限元方法和统计能量方法的优点,是预示中高频域振动和噪声的一种新方法。针对国内外能量有限元的研究成果,首先从简单结构、组合结构、声振响应、特殊结构及与其他方法的结合5个方面介绍了能量有限元方法的理论研究进展,接着以杆结构为例介绍了能量有限元的基本原理,之后介绍了能量有限元软件的研究进展,重点介绍了。NASTRAN自带的EFEA软件,最后总结了能量有限元方法的成果及存在的问题,说明继续完善能量有限元理论及软件并将其应用到工程中去是迫切需要开展的研究工作。

能量有限元预示复合材料结构动响应研究进展

复合材料结构高频动响应预示是飞行器等结构设计中的重要研究内容之一.为了探讨精确预示复合材料结构高频动响应方法,分析比较了目前较为通用的3种动力学响应预示方法,指出能量有限元法最适合求解具有各向异性特征的复合材料结构高频动响应问题.紧接着概述了国内外关于能量有限元方法和该方法在复合材料结构高频动响应预示方面的研究进展.在此基础上分析了能量有限元法在预示复合材料结构高频动响应问题中尚待深入研究的问题.

基于导纳修正的能量有限元输入功率研究

能量有限元方法是预示结构中高频响应的一种新方法,输入功率是能量有限元方法中的一个重要参数,其准确性直接影响预示结果。本文基于有限大板导纳修正了单频激励下的能量有限元输入功率,提出了随机激励下输入功率的修正方法,将能量有限元输入功率推广到板受随机激励的情形。仿真分析表明,基于导纳修正的能量有限元输入功率方法比无限大板输入功率方法更加准确,验证了基于修正参数的输入功率方法的可行性,提高了能量有限元方法预示的准确性。

另一类新的能量有限函数空间

从一组新的三角函数列出发,构造了一个新的一致能量有限函数空间,并研究了它的一些性质,以及p倍平均完备性。最后,给出不可数多个能量有限函数空间,它们都是具有良好性质的Hilbert空间,并且这些能量有限函数空间在工程中可以应用。

附加自由阻尼梁高频响应的能量有限元方法模型

能量有限元方法(EFEA)是一种预示结构高频响应的新方法。为了利用能量有限元方法准确的预示附加阻尼结构的高频响应,将复刚度法与能量有限元的相关理论相结合,同时对现有的能量有限元推导思路进行了大结构阻尼条件下的修正,推导了大阻尼工况下,附加自由阻尼梁结构高频振动响应的能量密度控制方程。同时,通过对阻尼处理交界面处能量转移关系的分析,建立了经过局部附加阻尼处理的梁结构高频响应的能量有限元模型。通过与各自工况下模态解析解的对比,所建立的能量有限元方法模型可以准确的预示大结构阻尼工况下附加阻尼梁的高频响应。

采用能量有限元分析的高速列车车内噪声预测

采用能量有限元分析(EFEA)并引入车体隔声效应建立高速列车(HST)车厢结构和声腔模型,综合考虑机械激励和声激励源,预测分析车内全频噪声.通过试验及仿真计算获取模型结构和声腔参数;采用多体动力学仿真、声学有限元法和非线性声学方法求解得到车外激励源,包括轮轨力、二系悬挂力、轮轨噪声和气动噪声.通过验证激励源频谱结果的声压级(SPL)峰值频率保证激励源的准确性.将模型参数和激励源施加到车内噪声EFEA模型上,并预测不同区域的车内噪声。将车内声腔各区域的预测与搭载试验车内噪声SPL进行对比,结果显示,仿真与试验车内噪声声压级在分析频段内的变化趋势基本一致,声压级总值(OASPL)误差小于3 dB(A).由此验证了提出的方法对于HST车内全频噪声仿真预测的有效性和准确性.

仪器舱结构的能量有限元中频声振环境预示

采用能量有限元分析(EFEA)法,建立某仪器舱结构的能量有限元模型,并对其进行了声振环境的预示。将EFEA与统计能量分析(SEA)及实验测试结果进行了比较,在一定的频域内,能量有限元方法得到了较好的预示结果,与预期结果相符。相对于传统SEA方法,EFEA还可以得到响应的空间分布。该研究对仪器舱结构的EFEA建模及分析,为工程上对复杂结构声振环境预示提供了新的思路。

复杂机械结构中高频动响应能量有限元方法研究

从理论研究和应用研究两个方面追踪了国内外关于能量有限元的发展现状,并指出能量有限元已趋向于预示越来越复杂的结构动响应;接下来介绍本课题组近年来利用能量有限元方法针对实际复杂结构及复杂载荷环境中的高频动响应问题所做的研究工作,主要包括3个部分:一是在考虑多种传递波功率流耦合的情况下,发展了圆柱壳、截锥壳等复杂结构的高频响应能量有限元方法,从而得到了此类结构的中高频局部动响应特性;二是考虑在脉动载荷、混响室等复杂环境中,利用能量有限元方法并结合能量边界元方法预示了结构的高频振动特性和声振耦合特性;三是开发了能量有限元的计算软件,为其大规模应用奠定了基础。最后指出了能量有限元方法目前存在的问题和进一步研究的方向。

基于能量有限元法的损伤充液管道振动分析

管道结构在服役期间会出现各种形式的损伤,其结构动力学参数和能量传播形式也会随之产生一定的变化,根据充液管道的动力学方程,推导得到了充液管道振动的能量平衡方程和能量有限元方程。分别采用能量有限元法和有限元法对充液管道的能量密度进行了计算和对比,验证了能量有限元法求解充液管道振动响应的准确性。在此基础上建立了基于能量密度变化和能量流变化的两个损伤指标,讨论了单元受损后的刚度变化和阻尼变化对能量流指标的影响,算例表明基于能量流变化的指标能够有效地识别充液管道结构的损伤部位。研究为基于能量有限元法预报充液管道的振动和基于该方法识别输流管道的损伤提供了理论基础。