多层复合壳体三维振动分析的谱——微分求积混合法

对于较厚的多层复合壳体,其振动位移沿厚度方向呈锯齿形变化且层间剪切和拉、压应力呈三维耦合状态,采用传统的等效单层理论分析已不能满足精度要求. 建立不受结构厚度、铺层材料性质和铺层方式限制的三维分析方法具有重要的研究价值. 本文以独立铺层为建模对象,结合广义谱方法与微分求积技术建立了一种适用一般边界条件和铺层方式的多层复合壳体三维分析新方法——谱--微分求积混合法. 该方法应用三维弹性理论对独立铺层进行精确建模,有效克服了二维简化理论对横向变形以及层间应力估计不确切的缺点;引入微分求积技术对铺层进行数值离散,将三维偏微分问题转化为二维偏微分问题,降低了求解维度和难度;应用广义谱方法近似地表述离散计算面上的场变量,将获取的二维偏微分方程转化为以场变量谱展开系数为未知量的线性代数方程组,避免了对超越方程的求解. 数值验证结果表明该方法收敛性好,计算精度高.      

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。      

面内功能梯度三角形板等几何面内振动分析

基于平面应变理论,利用等几何有限元方法分析了弹性边界条件下面内功能梯度三角形板的面内振动特性.板的材料属性沿厚度方向呈均匀分布,而在面内方向呈任意指数梯度变化.采用非均匀有理B样条(NURBS)基函数对三角形结构进行等几何建模和位移描述,实现了三角形板几何设计和振动分析的无缝衔接.在三角形板边界上引入虚拟弹簧约束并通过调节虚拟弹簧刚度,实现任意边界条件的施加.通过不同的单元细化方案和对比算例,验证了等几何方法的灵活性、准确性和快速收敛性.系统研究了边界条件、材料属性和几何参数对三角形板振动特性的影响.同时给出了弹性边界条件下面内功能梯度三角形板的振动特性解,具有重要参考价值.     

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。      

含空腔的功能梯度声学覆盖层水下吸声特性

针对传统的声学覆盖层吸声频带窄的问题,基于功能梯度材料的特点提出了一种含空腔结构的水下功能梯度声学覆盖层结构,引入梯度有限元法建立了功能梯度型声学覆盖层的水下声学计算模型,研究了功能梯度声学覆盖层结构的水下吸声特性。与传统的功能梯度结构声学建模方法相比,在保证计算精度和计算效率的基础上,文中所建立的功能梯度结构声学计算模型可适用于更复杂的功能梯度声学结构声学性能评估。研究结果表明,功能梯度声学覆盖层能够有效改善中高频段的吸声性能,获得较好的宽频吸声效果。此外,空腔形状采用锥型空腔结构或者组合型空腔结构可以有效地拓宽功能梯度声学覆盖层的吸声频带。      

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。      

基于改进Chebyshev级数的层合结构-振动分析新理论

提出了一种基于改进Chebyshev级数的层合结构高阶分层建模理论.该理论位移场由线性位移场和高阶位移场组成，线性位移场控制位移场的总体分布趋势，高阶位移场进行局部修正.高阶位移场由具有统一表达式的改进Chebyshev级数表示，通过改变高阶截断阶数可实现高阶位移场快速配置，能够满足不同建模精度需求.采用该高阶分层理论和广义谱方法推导了层合结构的自由振动特征方程，研究了一般边界条件下层合梁、板、壳的自由振动特性，并将计算结果与其他文献数据对比.结果表明:基于改进Chebyshev级数的层合结构高阶分层理论具有较高的建模精度和计算效率.     

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。      

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。