复合材料多层圆柱壳振动和声辐射问题研究进展

鉴于复合材料优良的力学和声学性能，将其用于潜艇结构已成为未来的发展趋势和研究重点。而圆柱壳作为潜艇的主体结构形式，针对复合材料多层圆柱壳的振动和声辐射问题的研究已广泛开展。在满足水下承载能力的前提下，复合材料耐压圆柱壳趋于中厚壳，甚至厚壳，沿壳体厚度方向的横向剪切变形、压缩变形、截面翘曲变形不可忽略，这些因素直接决定了横向振动位移场描述的准确度，会进一步影响壳体周围声辐射场预报的准确性。现有的壳体理论主要有经典壳体理论、一阶剪切变形理论、高阶剪切变形理论、分层理论、锯齿理论和三维弹性理论等，这些理论发展比较成熟，但大多研究仍局限于正交各向异性薄壳结构的振动问题，涉及各向异性材料厚壳结构的声辐射研究较少，且目前对于这些壳体理论在复合材料圆柱壳的振动和声辐射问题的适用性方面缺乏系统的总结和研究。本文首先从复合材料的刚度特性出发说明其振动和声辐射问题求解的复杂性，然后从横向振动位移场的角度综述了这些理论的发展过程、研究现状以及各自的特点，最后给出了这些理论的适用范围和使用建议，并提出了有待进一步研究的问题，以期为复合材料多层圆柱壳结构的设计和振声性能分析提供参考。     

基于改进传递矩阵法的环肋圆柱壳固有振动分析

为了简化传统传递矩阵法中状态向量一阶微分方程复杂推导和得到不同边界条件下环肋圆柱壳的振动特性,基于Flügge壳体理论,通过采用改进传递矩阵法改进状态向量的选取,直接快速地从振动方程推导出圆柱壳结构场传递矩阵,并对场传递矩阵使用精细积分求解。根据环肋和壳体连接处变形连续条件导出环肋处点传递矩。最后通过自由、简支、固支三种不同边界条件下环肋圆柱壳固有频率计算结果与有限元计算结果进行对比,验证了改进传递矩阵法进行环肋圆柱壳振动分析有效性和适用性。     

壳间连接形式对双层壳声辐射性能的影响

研究流场中受径向点激励的有限长双层圆柱壳壳间用实肋板连接或用托板连接对其振动和声辐射性能的影响。壳体的振动用Flügge壳体方程描述,将加强构件等价为对内外壳体的支持力,实肋板作用可以等价为周向、轴向和径向三个方向的力和轴向弯矩作用到壳体上。托板近似简化为拉压杆件进行计算,并推导了托板的动反力公式,然后将其引入壳体振动方程,最后求解双壳体声-流体-结构耦合方程,计算结果用辐射声功率、表面振动均方速度级和辐射效率的形式表示。在数值分析部分,讨论了壳间连接型式变化对双层圆柱壳的声辐射性能的影响,分析了托板和实肋板的差别。得出结论:壳间连接越紧密,对应的双层加筋圆柱壳的辐射声功率越高。     

夹层充液的双层加肋壳体的振动模态分析

基于流体的波动方程和结构的动力方程,利用有限元方法研究了考虑流固耦合时的双层加肋圆柱壳体的振动特性。论文计算了充液夹层圆柱壳体在加肋和不加肋两种情况下的结构模态,分析了影响结构振动的主要因素,为进一步开展水下航行器的研究提供了一定的依据。     

充液环肋圆柱壳耦合振动的波动解

研究了充液环肋圆柱壳结构的耦合振动特性。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,验证了该文研究方法的有效性和正确性。最后通过算例,分析了充液因素、环肋参数、边界条件、壳体几何参数等对充液环肋圆柱壳耦合振动的影响。     

基于有效线导纳的单筋圆柱壳振动声辐射分析

周向激励下加筋圆柱壳体振动和声辐射特性的研究是预测水下航行器壳体噪声的关键环节。基于有效线导纳理论和有效线导纳对简单圆柱壳体分析的基础，建立周向激励下单筋圆柱壳体的受力模型，得到振动响应计算公式，并对单筋圆柱壳体的振动响应和声辐射功率级进行实例计算和分析。计算结果表明：壳体表面加强筋处的局部振动响应得到有效抑制，幅度可降至原来的1％，但对整个壳体结构声辐射影响较小，功率仅降低1％左右。同时表明有效线导纳的理论能够正确有效地对周向激励下加筋圆柱壳体的振动响应和声辐射进行预报和分析。     

水中有限长纵向加肋圆柱壳体振动与声辐射影响因素研究

本文以水中有限长纵向加肋圆柱壳体为研究对象,推导了水中有限长纵向加肋圆柱壳体的声固耦合振动方程,其中纵向肋骨的作用表现为在基本圆柱壳体声固耦合振动方程中增加相应的附加阻抗,因此壳体的振动和声辐射由壳体机械阻抗、辐射阻抗和纵向肋骨附加阻抗决定。通过数值仿真算例对外力激励下有限长纵向加肋圆柱壳体振动与声辐射影响因素进行了研究。结果表明纵向加肋对水中圆柱壳体的辐射声功率影响不大,但壳体表面平均振动速度明显降低,而材料损耗因子对几乎所有频段内水中圆柱壳体的辐射声功率和表面平均振动速度都有明显抑制作用。     

水下加肋双层圆柱壳体振动传递特性分析

研究水下双层圆柱壳体振动传递特性具有重要的工程意义,尤其对于水下结构噪声快速预报和外壳表面速度场实时重构.以此为出发点,通过双层加肋圆柱壳体模型水下振动试验研究了不同激励条件下内外壳体振动特性;然后建立了水下双层圆柱壳体有限元模型,计算分析了壳体在流固耦条件下的振动路径及特性,找出了不同激励方向、流体耦合方式和内外壳体连接方式等典型因素下内、外壳体间振动传递规律,为速度场重构和水下噪声预报提供了一定的理论指导.     

不同参数下的单、双层圆柱壳体速度场研究

研究圆柱壳体表面速度场的重构：疗法对潜艇水下辐射噪声的预报具有重要的意义。采用了分区段重构轻外壳速度场的思想，在此基础上建立无限流体中的有限长单、双层加肋圆柱壳模型，分析了壳体表面速度场随不同结构参数的变化规律，并对单、双层圆柱壳体，以及双层圆柱壳体内、外壳的振动响应性能作了一定的比较。得到了单区段壳体长度的选取、模型刚度特性以及不同频段内壳体间耦合作用等对壳体速度场的影响，为研究潜艇轻外壳速度场重构方法提供了理论依据。     

复合材料纵横加筋圆柱壳自由振动分析

使用能力法分析了两端简支复合材料纵横加筋圆柱壳的自由振动特性,从Love’s理论出发,分别计算壳体面板和纵横加筋结构的应变能和动能,在计算加筋结构应变能和动能时,将加筋结构的作用影响平均在整个壳体区域。然后代入Lagrange方程得到频率方程。通过比较,计算方法所得到的结果与文献比较吻合。采用平均法计算的结果比采用离散方法计算的结果偏小。还研究了壳体和加筋结构参数的变化对圆柱壳自由振动频率的影响。     

考虑剪切效应的环肋圆柱壳的稳定性

基于Reissner-Naghdi壳体理论和Timoshenko环梁理论,采用Ritz法对环肋圆柱壳的稳定性进行了研究。在简支边界条件下考虑了壳体和环肋的剪切变形效应对临界载荷的影响。由于环肋会约束壳体的变形,壳体的前屈曲状态应该是有弯曲变形的,环向压缩力也是非均匀分布的,分析了这一因素的影响。算例的计算结果与文献中给出的实验值吻合较好,并表明壳体的剪切效应在一些情形下会对环肋圆柱壳的稳定性产生一定的影响。     

典型边界条件下任意截面纵肋加筋圆柱壳固有特性计算与分析EI北大核心CSCD

针对纵向加肋圆柱壳自由振动问题,考虑结构边界条件的复杂性和纵肋截面的任意性,在壳体两端引入连续可变的弹性约束,推导任意截面纵肋剪切中心与圆柱壳中面位移协调关系,并利用Gram⁃Schmidt正交法构造的级数表示壳体轴向振型函数。采用Novozhilov壳体理论,计及壳体和纵肋能量泛函中各向平移与转动惯性项贡献,基于Rayleigh⁃Ritz法得到结构自由振动的特征方程表达式,建立纵向加肋圆柱壳自由振动的统一动力学分析模型。调整约束弹簧刚度等效不同边界条件,应用该模型探究了相应边界下肋条附加位置、肋条数量和肋条偏心距对纵向加肋圆柱壳固有频率的影响。研究表明:在一定周向波数范围内,外部加肋和内部加肋圆柱壳固有频率之差的绝对值与周向波数n的变化呈正相关;增加肋条数量会降低内部加肋圆柱壳的固有频率;增大肋条偏心距会降低内部加肋圆柱壳固有频率,且偏心距与肋条数量对固有频率的影响会产生叠加效应。研究结果与验证了所提的统一动力学分析模型的精确性和有效性。     

水下环肋功能梯度材料圆柱壳稳定性研究

研究了水下环肋功能梯度材料圆柱壳的稳定性。根据Flügge理论和正交各向异性板壳理论,采用波动法推导出静水压力下环肋FGM圆柱壳耦合振动特征方程,运用牛顿迭代法得到静水压力下环肋FGM圆柱壳的固有频率值,并通过线性拟合得到静水压力下环肋FGM圆柱壳的临界压力。通过计算对比分析,验证了方法的正确性和有效性。通过算例,分析了静水压力下环肋FGM圆柱壳在不同材料组分、体积分数、壳体尺寸、肋条尺寸和数目等情况下临界压力的变化规律。     

多加筋圆柱壳体振动特性的导纳法研究

弹性多加筋圆柱壳体由于其结构的特点，广泛应用于工程实际，因此对其进行振动研究具有重要的工程价值和应用意义。文章利用薄板和梁的导纳公式推导了多加筋圆柱壳体在任意位置简谐力激励下的弯曲振动响应，并对特定参数的多加筋圆柱壳体的振动能量分布进行了数值仿真，结果表明振动能量在加筋处呈现急剧衰减。还对不加筋圆柱壳以及加不同数目筋的圆柱壳的振动响应进行了对比，得到了加筋和加不同叛目的筋对结构振动能量分布和传播的影响。     

环加肋圆柱壳振动分析的复合有限条法

提出一种分析环加肋圆柱壳自由振动问题的高效半解析方法──复合有限条法。该方法可在一个有限条元内计入若干个横向加肋的影响，包含横向加肋的有限条元称为复合有限条元，环加肋圆柱天采用一系列复合有限条元进行离散。复合有限条法可按加强肋骨的实际分布情况进行计算，而不必采用将加肋的影响平均到整个壳体的方法，且可考虑肋骨偏心的影响，它是一种子结构求解技术。算例表明，复合有限条法具有良好的求解精度和很高的求解效率，与常规有限元法相比，复合有限条法大大减少了系统自由度和计算工作量，且易于程序实现，是一种分析加肋板壳结构振动问题的较理想方法。     

基于速度场重构的双层圆柱壳体振动传递特性试验研究

从双层圆柱壳体表面速度场实时重构方法出发,通过带浮筏减振设备的大型双层壳体实验舱段模型振动试验,研究了壳体在变工况水泵、电机和大功率激振机各种典型激励下壳体振动传递路径和传递规律。试验分析结果为指导双层圆柱壳体速度场重构模型的建立、测点位置的布置以及主要激励源的选择提供一定的理论指导。     

基于QPSO的水下加肋圆柱壳体噪声优化设计

提出了厚度分布沿轴向周期变化的加肋圆柱壳体有限元矩阵的快速导出算法,并结合边界元法对圆柱壳体在水下受力振动与声辐射进行预报。在此基础上,以低频段内总声辐射功率最小为优化目标,采用量子粒子群算法对厚度沿轴向周期分布的加肋圆柱壳体进行优化设计。数值仿真结果表明,该算法对水下加肋圆柱壳体的噪声优化设计分析周期有明显的改善,合理配置圆柱壳体的厚度分布可以有效的改善圆柱壳体在水下的噪声性能。     

水下结构辐射噪声工程估算方法

机械噪声是水下航行器主要噪声源之一。首先分析机械设备辐射噪声的整个传递途径,然后就壳体振动到辐射噪声预报环节展开理论和实验研究。通过模型实验测得内外壳结构振动加速度分布,经过计算分别获得内外壳结构振动均方速度,结合加肋圆柱壳分频段辐射效率公式,分别采用内外壳结构振动均方速度对结构辐射声压进行预报计算,并与实验结果进行对比分析。分析表明计算结果与试验吻合良好,得出对于双壳体结构,可由内壳体结构振动预报辐射噪声的结论,验证通过壳体结构振动预报辐射噪声方法的可行性,该方法具有较好的工程应用价值。     

圆柱贮液器固液耦合模态分析

本文用半解析有限元分析了弹性圆柱贮液器液─固耦合系统的模态特性,进行了贮液器的模态实验。将实验测出的贮液器在不同液高时的耦合振动模态与理论分析结果进行了比较,验证了计算结果的可信性。计算与实验均表明,贮液器内液深对壳体结构的动力特性有很大的影响,贮液器内液体质量越多,壳体结构的耦合振动频率越低。     

基于相似理论对水下复杂壳体的振动和声辐射预报

采用有限元和球函数相结合的方法，建立水下复杂壳体——两端带半球壳的加肋弹性圆柱壳的振动、耦合振动和声辐射方程，运用方程分析法，导出水下复杂壳体的振动、耦合振动和声辐射的相似关系，根据建立的相似关系实现对壳体的振动响应和声辐射的预报。采用大型有限元软件ANSYS对具有相似关系的模型和原型的振动响应和尸场进行分析，算例表明，方法切实可行并且为预报水下大型复杂结构体的振动响应和耦合声场提供了一种简洁、实用的研究方法。