结构噪声核心价值与理论逻辑解读 第三部分:WPA法与机理分析

[目的]波传播分析法也称WPA法,在分析混合动力系统(如浮筏)中弹性波的抵消机制方面具有独特的优点。[方法]基于WPA法,从振动微分方程和弹性波的传播、反射视角解析结构噪声。[结果]分析表明:WPA法使研究者能够从表观参数(如振动加速度)进入内核参数(弹性波),深层剖析振动能量的注入、传导以及波与声辐射之间的因果关系。WPA法可嵌入谐力相位表达,能够研究多源抵消机制;由于采用指数型函数,方程的推导具有规律性和规整性,适合工程技术人员开展深入的机理分析。[结论]从"复杂系统"到"简单系统"抽象,WPA法更容易发现共同性和关键性的一般科学规律,从而实现系统动力学性能的极致设计。

正交各向异性圆柱壳裂纹形态求解及其自由振动特性

含裂纹正交各向异性圆柱壳自由振动响应及其裂纹形态求解是一个复杂的结构动力学问题。针对此问题,提出一种基于线弹簧模型和波传播方法的含斜裂纹正交各向异性圆柱壳的裂纹形态求解方法。基于Kirchhoff-Love壳体理论,建立含斜裂纹的正交各向异性圆柱壳力学模型,得到经典边界条件下的正交各向异性圆柱壳的自由振动响应特性。利用线弹簧模型计算裂纹区域的局部柔度,构造了不同裂纹形态的附加应力关系。结合波传播方法,获得含斜裂纹的正交各向异性圆柱壳的自由振动响应特性,进而得到一种基于固有频率的裂纹形态识别方法。研究结果表明,裂纹的存在会导致圆柱壳局部柔度的降低和固有频率的下降,且裂纹的尺寸越大、深度越深,固有频率的下降程度越大;随着裂纹角度的增大,固有频率的下降程度先增大后减小;通过不同裂纹形态产生的固有频率变化规律,可以对裂纹形态进行识别,得到裂纹的几何空间分布。研究结果可为正交各向异性薄壳裂纹形态求解和振动响应求解方面的研究提供有益参考,也可为圆柱壳结构的裂纹损伤识别方面提供理论支持。

基于波传播法的水下圆柱壳临界载荷-频率特性分析

基于振动的水下圆柱壳临界载荷的预报具有结构无损的优势。针对基于振动的数值仿真及振动试验预测方法存在的不足之处,提出了基于波传播法的水下圆柱壳失稳载荷的理论求解方法。建立了计及静水压力影响的水下圆柱壳固-液耦合振动方程,基于波传播方法获得耦合系统的频率方程。运用Muller三点迭代法求出水下圆柱壳的固有频率,通过线性拟合的方法求出水下圆柱壳临界载荷的弹性理论解,修正后可得到便于工程应用的临界载荷。结果对比表明了该方法的准确性,且具有方法简便、计算量小和易于参数优化的优点。

基于波传播方法的边界条件对圆柱壳振动特性的影响分析

在波传播分析方法基础上,采用一种改进傅立叶级数的方法建立了弹性约束边界条件下圆柱壳结构模态分析模型,结合模态叠加理论,给出了圆柱壳结构在任意径向点力激励下的振动响应。通过与商业分析软件ANSYS的结果比较验证了本文方法的高效性与精确性,随后详细分析了边界约束刚度对圆柱壳结构自由振动特性和结构振动响应的影响,并给出了刚度影响的一般性规律。

波传播法求解低频激励下水中加端板圆柱壳的振动

采用波传播法研究了低频下水中壳体的振动与响应。水中壳体由有限长加流体载荷的圆柱壳和两端的圆形端板组成,其中外部流体载荷用无限长模型进行近似处理。为了模拟推动系统的激励及船体上某一点激励,分别考虑了不同位置的轴向载荷和径向载荷,讨论了单个周向模态下的位移在总位移中的比重。主要研究了4种载荷,即作用在端板中心的轴对称载荷、作用在端板与圆柱连接处的轴向载荷、作用在连接处的径向载荷和作用在壳体中间的径向载荷,比较得出了轴对称和非轴对称、同一点不同方向载荷、同一方向不同位置载荷的响应位移的不同。此外,还研究了两端端板对不同载荷下水中壳体响应的影响,得出了端板主要抑制了壳体的较高阶模态下径向位移的结论。解析法结果与有限元法结果进行了比较,验证了该方法的正确性。

基于土与结构相互作用的隧道结构振动特性的理论研究

考虑到地铁隧道结构与其周围土层的相互作用,本文建立一种新的隧道结构振动特性的理论分析方法。首先,基于考虑横向剪切变形的中厚壳理论,建立了隧道结构的振动方程,其次,基于均匀、各向同性、线弹性介质的纳维波动理论,建立了隧道周围土体的运动方程,在此基础上,利用波传播方法,通过界面连续条件建立了基于土与结构动力相互作用的隧道结构振动控制方程,利用其频散特征方程对隧道结构的振动特性进行了分析,并与基于薄壳理论、有限元理论的相应结果进行了对比,验证了方程的有效性。

水下环肋圆柱壳弹性失稳临界载荷无损预报方法

基于振动的水下环肋圆柱壳临界载荷的预报具有结构无损的优势。以Flügge壳体理论和基于正交各向异性理论的环肋圆柱壳自由振动方程为基础,运用波传播法得出耦合系统的频率方程,并求出对应外压下的固有频率,通过最小二乘法线性拟合获得临界载荷、外压及固有频率的关系表达式。绘图得知任意边界的同一模态下,水下环肋圆柱壳的固有频率平方与静水压力成正比。结构失稳时,刚度丧失,固有频率降为零,据此求出水下环肋圆柱壳的最小弹性临界载荷。分析了不同边界条件对环肋圆柱壳临界载荷的影响,得知边界约束越强,环肋圆柱壳的临界载荷越大。结果对比表明了本方法的正确性,为水下环肋圆柱壳的固有频率及临界载荷的理论计算提供了一种新的方法。

水下圆锥壳临界载荷-频率特性分析

针对基于振动的数值仿真、振动实验预测方法的不足,基于振动的水下圆锥壳临界载荷预报具有结构无损的优势,提出了基于波传播法的水下圆锥壳失稳载荷的理论求解方法。通过建立静水压力下圆锥壳声-固耦合振动方程,并使用波传播法和Galerkin法求解不同静水压下的频率特性。在处理耦合面处流体声载荷时将锥壳分解为多个柱壳微段的流体载荷的叠加。通过对水下圆锥壳的固有频率和静水压力的关系研究,得出静压与固有频率平方近似呈线性关系这一重要结论,并通过线性拟合求出临界载荷。结果对比证实了方法的正确性,且具有简便、计算量小、易于参数优化的优点。

多舱段圆柱壳振动特性研究

基于Flügge壳体理论,采用波动法建立任意边界条件多舱段加筋圆柱壳数理模型,对多舱段圆柱壳固有振动特性和频响特性进行研究。相对于传统的采用平摊或梁模型处理环肋方法,运用圆环板模型分析环肋。在环肋、舱壁等加强构件及激励点处对结构离散,环肋、舱壁等子构件采用圆环板模型分析,激励力作为离散处边界条件,运用离散处连续条件将子构件组装得到运动方程。通过与文献、有限元结果对比验证了本文方法的正确性与准确性,在此基础上分析舱壁厚度、舱壁位置及激励点等参数对多舱段圆柱壳振动特性的影响;并进一步讨论了舱段截断时边界条件选取。

有限潜深状态下圆柱壳固有振动特性分析

基于波传播法和虚源法,建立有限潜深状态下圆柱壳-声场耦合数学模型,并考虑了自由液面和流体静压的影响。采用数值方法求解耦合系统特征方程,得到了有限潜深状态下圆柱壳的模态频率。数值分析表明:较无限域中圆柱壳模态频率特性而言,自由液面的存在致使结构模态频率相应增大,而流体静压则使得结构模态频率相应减小;当潜深较小时,自由液面的影响相对较显著,而当潜深较大时,流体静压的影响相对较显著;流体静压对有限潜深状态下圆柱壳各阶模态频率特性的影响程度不尽相同,从而导致在一定潜深条件下,圆柱壳模态频率阶次出现变化;当潜深较大时,圆柱壳面临失稳。

各向异性弹性层中SH波传播的边界元方法

本文利用坐标变换下的映象法求出了底部为刚性边界的各向异性弹性层中SH波传播问题的格林函数,并由此建立了求解分层介质问题的边界元方法。文中给出了在稳态线荷载作用下带有圆孔的弹性层中反应的计算实例。

基于波传播分析的水下粘弹性复合圆柱壳振动功率流研究

采用波传播分析方法,讨论了外部敷设粘弹性自由阻尼材料的无限长圆柱壳在流场中受径向简谐激励的振动功率流。用复模量形式计及粘弹性阻尼的损耗因子,研究了自由阻尼圆柱壳在外激励作用下的输入功率流和沿壳体传播的功率流。结果表明粘弹性阻尼层可以明显降低激振力输入壳体的功率流,加快振动波在结构内的衰减,为潜艇结构和水下各种管道的减振降噪提供了一定的理论参考。

基于中厚圆柱壳理论的地铁隧道结构振动特性分析

以土介质中的地铁隧道为研究背景,首先利用考虑横向剪切变形的中厚圆柱壳理论建立了隧道结构的振动方程,然后利用均匀、各向同性、线弹性介质的Navier’s波动理论建立了隧道周围土体的运动方程,在此基础上,利用波传播方法,通过接触面连续条件建立了考虑土层-隧道结构动力相互作用的隧道结构振动控制方程,继而利用其频散特征方程,对隧道结构的振动特性进行了分析,并与基于薄壳理论、有限元理论的相应结果进行了对比,验证了方程的有效性,进而就隧道半径、壁厚、长度以及隧道埋深对隧道结构振动特性的影响进行了分析。

齐次边界条件下圆柱壳的自由振动研究

基于Flügge弹性薄壳理论研究圆柱壳在齐次边界条件下的自由振动问题。圆柱壳的自振频率通过位移控制方程和边界条件控制方程联立求解获得。引入一般形式的位移函数之后,位移控制方程能够得到关于频率和波数的频散图,联合边界条件后转化为8阶矩阵行列式的零点求解。讨论自振频率点在频散曲线中的位置,给出纯虚数曲线分支的含义。还讨论精确解和常用梁方法的联系,研究振型在3个频率区域变化的情况。

粘性流场中圆柱壳结构的频散特性分析

以往的文献在分析流场中圆柱壳的声振特性时,往往将流场简化为理想状态,忽略了粘性的影响。以浸没在粘性流场中的无限长弹性薄圆柱壳为研究对象,研究了流体粘性对频散特性的影响规律。首先,分别用Flügge薄壳理论和势函数方法分析壳体结构振动和外部流体声场。然后,通过壳壁外表面的运动协调条件,建立此耦合系统的声振耦合方程,进而采用Winding-Number围线积分法搜索求根,重点求取和分析了粘性流场中无限长弹性薄圆柱壳的频散曲线,并与理想流体中的特性作了对比,得出了一些有价值的结论,有助于理解粘性的影响及程度。

流场中板和圆柱壳传递函数相关性研究

用弹性理论研究了流场中无限板和无限长圆柱壳的传递函数之间的相关性。运用傅里叶积分变换、势理论和波传播理论推导了耦合方程的解。计算了圆柱壳结构在同一厚度,不同频率处,以及不同半径,同一频率处的传递函数,并与板在相应条件下的计算结果进行了比较,接着还讨论了圆柱壳在同一相对厚度的传递函数。文章通过上述结果的对比,得到了板和圆柱壳在计算结果上的关系,为建立流场中圆柱壳结构声辐射的简化模型提供了理论参考。

基于波传播方法的水下阻尼复合圆柱壳声辐射分析

采用波传播分析方法,以复模量形式计及粘弹性阻尼的损耗因子,讨论了外部敷设粘弹性自由阻尼材料的无限长圆柱壳在流场中的辐射声功率。结果表明,粘弹性阻尼层可以有效降低结构的辐射声功率,具有较好的隔振效果,可为潜艇结构和水下各种管道的减振降噪设计提供理论参考。

环向加肋对充液圆柱壳振动特性的影响分析（英文）

文章研究了环向加肋对充液圆柱壳耦合振动的影响。基于Love壳体理论,考虑壳体内部完全充液,采用波动法建立充液环肋圆柱壳耦合振动的频率特征方程,得到了不同边界条件下的耦合频率值。通过与已有文献数据对比,验证了文中研究方法的有效性和正确性。最后通过算例,分析了环肋参数对充液圆柱壳结构耦合振动的影响。结果表明,肋骨尺寸、数目的增加,对充液圆柱壳振动频率的提升影响明显,而内、外加肋形式所产生的影响则相对有限;肋骨对频率的影响主要表现在周向波数较大时;肋骨高度变化对耦合振动频率的影响更明显。

潜艇推进轴系纵向振动模型与解析研究

[目的]为了解决潜艇推进轴系纵向振动问题,[方法]将复杂的潜艇推进轴系简化为均匀阶梯轴系连续模型,采用波分析(WPA)法对各均匀轴段的纵向振动传递关系进行推导。结合实际推进轴系边界条件,给出推进轴系纵向振动在螺旋桨激励下的稳态响应。进一步对推进轴系纵向振动的第1阶固有频率的无量纲公式进行推导,并分析结构参数对固有频率的影响。[结果]将理论计算值与有限元软件仿真结果及实验测试值进行对比,证明了均匀阶梯轴系连续模型的可靠性,可应用于推进轴系纵向振动研究分析。得到的第1阶无量纲公式为后续对潜艇推进轴系纵向振动的分析打下基础。[结论]研究成果具有一定的工程应用价值。

Transient response of a concrete tunnel in an elastic rock with imperfect contact

The two-dimensional transient response of an imperfect bonded circular lined pipeline lying in an elastic infinite medium is investigated.Imperfect boundary conditions between the surrounding elastic rock and the tunnel are modelled with a two-linear-spring design.The novelty of the manuscript consists in studying at the same time transient regimes and imperfect bonded interfaces for simulating the dynamic response of a tunnel embedded in an elastic infinite rock.Wave propagation fields in tunnel and rock are expressed in terms of infinite Bessel and Hankel series.To solve the transient problem,the Laplace transform and the associated Durbin’s algorithm are performed.To exhibit the dynamic responses,influences of various parameters such as the quality of the interface conditions and the thickness of the lining are presented.The dynamic hoop stresses and the solid displacements of both the tunnel and the rock are also proposed.