加纵肋平底圆柱壳振动和声辐射的FEM/BEM研究

建立了两端带平底板的加纵肋圆柱壳水中声辐射计算的FEM／BEM三维模型，探究了加肋的高度、宽度、数目对平底圆柱壳表面平均速度、辐射功率、辐射效率、声场指向性的影响规律。计算方法是在有限元软件ANSYS中做加肋平底圆柱壳建模、模态分析基础上，将有关数据（网格、模态）导入边界元软件SYSNOISE中计算流体-结构耦合状态下的辐射声场特性。结果表明：（1）纵肋的高度、宽度以及数目增大都可以引起平底圆柱壳的表面平均速度、辐射功率、辐射效率随频率变化曲线峰的移动，同时使声辐射效率增大，但使表面平均速度、辐射功率变化不明显。（2）纵肋的高度、宽度增大都使低频声辐射中两端平底板的贡献量增大，而使研究频域内的高频声辐射在激励力的反方向上增强。当径向激励力作用在纵肋上时适当调整均布纵肋的数目可以改变平底圆柱壳辐射声场的指向性。这对于水下结构辐射噪声预报以及噪声抑制具有重要意义。     

复杂声边界约束下水中圆柱壳声振特性研究

解析地研究了复杂声边界约束下水中无限长圆柱壳的振动和声辐射问题。该圆柱壳受到轴向均匀线激励力作用,并处于自由液面(或水平水底)和垂直刚性壁面组成的复杂声边界构成的四分之一无限流域中。根据镜像原理和Graf加法定理推导了无限长圆柱壳声振耦合方程,讨论了复杂声边界对圆柱壳振动和声辐射的影响。研究发现两种声边界对圆柱壳振动特性和表面辐射声功率有不同的影响。当圆柱壳离边界足够远时其振动特性和表面辐射声功率几乎不受影响,而其辐射声场仍会受到圆柱壳位置变化的影响,尤其当圆柱壳靠近流域边界时会产生显著的辐射噪声,不利于隐蔽。     

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。     

类高尔夫球表面处理对受电弓气动噪声的影响

针对高速列车弓网噪声,为降低主要由细长圆柱杆件构成的受电弓的气动噪声,建立三维圆柱绕流气动噪声分析模型,基于大涡模拟方法、声类比理论模拟圆柱杆件的流场特征,分析远场气动噪声频谱特性与分布规律,并对圆柱杆件表面作球缺型凹坑处理,分析表面处理方案的降噪效果。数值结果表明,来流与圆柱轴向所在平面法向的气动噪声受升力波动影响,声压级最大;圆柱来流方向前后气动噪声受阻力波动影响,声压级最小。圆柱表面球缺型凹坑处理方式可以有效降低圆柱杆件远场R=5 m处最大声压级,凹坑加密,降噪效果更好,优化模型II-1、II-2和II-3在R=5 m处最大声压级分别降低1.5 d B、1.9 d B和2.4 d B。相关结果可为高速列车噪声控制提供参考。     

两端用圆板封口的环肋柱壳振动声辐射性能分析

研究两端用圆板封口的环肋圆柱壳结构在流场中的振动声辐射特性,着重分析了由环肋圆柱壳和端部圆板所围空腔的内部声场对整个系统结构振动和声辐射的影响.基于扩展的Rayleigh-Ritz法,利用Hamilton变分原理推导出圆柱壳与圆板的耦合振动方程.考虑了静水压力的影响,环肋圆柱壳与端部圆板之间采用二自由度弹簧模拟弹性连接的等效刚度.环肋圆柱壳声辐射的研究中,用Helmholtz波动方程和流固交界面上的速度相容条件求得壳体表面辐射声压的表达式,该表达式对有限长圆柱壳进行Fourier积分变换得到壳体外表面辐射声压的解;用Green函数法来求解环肋圆柱壳和端板所围空腔的内部压力场.     

激励力作用位置对圆柱壳辐射声功率影响研究

潜艇上的机械设备不平衡运转会产生激励力,不平衡运转设备引起的艇体噪声是辐射噪声的主要成分。因此研究激励力的位置与声功率的关系是非常具有意义。文章建立了环肋圆柱壳结构声振动分析模型,基于力辐射模态从激励力作用位置变化方面对环肋圆柱壳进行数值计算和分析,研究激励力作用在不同位置处时,辐射声功率的变化规律。为了给出激励力作用位置与壳体辐射声功率的关系,运用力辐射模态概念,依据力辐射模态形态特征,分析判断激励力作用位置对辐射声功率的影响,为有效地减少圆柱壳辐射声功率提供了更为方便的技术手段。     

含复杂声边界的圆柱壳结构声振特性研究

对复杂声边界内的结构振动-声辐射问题开展了研究。针对同时存在着自由液面和刚性壁面的复杂声边界问题,结合镜像法原理,应用双反射方法推导了复杂声边界条件下的圆柱壳结构远场声压方程式。最后,以直角空间域内的圆柱壳结构为例,进行了结构的声振特性数值计算。在算例中,对比了声边界特性、频率及与声边界的距离对声辐射功率、声辐射指向性的影响。研究成果为解决含复杂声学边界的声振问题提供了参考。     

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。     

弹性圆柱壳结构振动有源控制理论分析

以两端为简支边界条件的弹性圆柱壳为研究对象,基于Donnell—Mushtari的壳理论分析了圆柱壳自由振动固有频率和结构模态,应用模态叠加方法得出圆柱壳在简谐点力激励下的响应。采用不同控制策略,对圆柱壳结构振动进行有源控制,并结合二次最优理论建立圆柱壳振动有源控制理论模型,得出不同控制策略下的最优次级力。基于所建模型进行计算机仿真,对两种控制策略下圆柱壳结构振动有源控制进行比较分析,所得结论对圆柱壳结构有源控制相关研究具有参考意义。     

水下圆柱壳声辐射有源力控制及机理分析

研究了利用力激励进行水下有限长圆柱壳振动声辐射有源控制问题。考虑流固声振耦合作用,根据圆柱壳辐射声功率在周向相互解耦的特性,推导了次级力源最优强度解析表达式,比较了单个力和多个力有源控制后的降噪效果;利用圆柱壳结构振动模态和声辐射模态的对应关系,分析了圆柱壳声辐射有源力控制的物理机理。研究结果表明:多个次级力更能有效地控制壳体产生声辐射的振动部分而达到控制噪声的目的;水下圆柱壳的前几阶声辐射模态的辐射效率很高,而辐射模态幅度较低,有源控制机理在于降低与结构振动模态对应的声辐射模态幅度,从而有效控制结构振动产生的声辐射。     

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。     

加筋圆柱壳声辐射特性研究及声学优化设计

为研究全频段加筋圆柱壳声辐射特性,基于VA-ONE建立FE-BEM混合法、FE-SEA混合法及SEA法低中高全频段的计算模型,并进行加筋圆柱壳辐射声功率的计算,从结构固有模态角度研究了各阶模态的声辐射效率。结果表明,加筋能够减小圆柱壳结构的总体辐射声功率,尤其可以减小低频段的辐射声功率;在中低频区,各阶模态的模态辐射效率具有较大差异,在中高频区,则相差不大。进一步研究了激励位置、壳厚、材质及辐射介质对加筋圆柱壳声辐射特性的影响。为减小加筋圆柱壳对外场点的辐射声功率,基于NCT模块及Design Optimization模块进行声学优化设计,结果表明,将GA算法与SQP算法或MMA算法组合使用不仅可以减少运算时间,而且可以获得较好的优化方案。     

复合材料夹芯圆柱壳水下振动和声辐射的三维弹性解

为获得复合材料夹芯圆柱壳的振动声辐射准确解,在厚度方向将壳体分成若干薄层,基于三维弹性理论和状态空间技术,对每一薄层建立状态空间方程,并结合位移和应力连续条件,建立横向位移和应力的传递矩阵。外表面的流体载荷和内表面的点激励通过傅里叶级数展开,并代入状态空间方程,获得了复合材料圆柱壳水下振动和声辐射的弹性准确解。应用具体算例,与有限元仿真和文献计算结果对比。结果表明,本文的三维弹性理论相较于近似的二维壳体理论更加准确。进一步研究了铺层角、表层和芯材厚度分布及材料损耗因子对振动声辐射的影响。计算结果表明,在环频率以下的频段,声功率峰值点数目随铺层角度增加呈“抛物线”型变化趋势;在环频率以上的中高频段,随着铺层角度增加,声功率峰值点数目呈先增加后趋于平缓然后继续增加的趋势。随着芯材损耗因子的增加,声功率峰值逐步降低,但下降幅度减小。      

阻尼层对水下圆柱壳辐射声场的去耦特性影响

基于模态叠加法,采用Navier方程描述阻尼层,建立敷设粘弹性阻尼层的水下圆柱壳振动声辐射模型。与数值计算结果比对,验证了计算模型的可靠性。分析圆柱壳的径向均方振速和辐射声功率,研究了粘弹性阻尼层对水下圆柱壳辐射声场的去耦特性影响。结果表明,粘弹性阻尼层的径向均方振速频响曲线可以分作三个频段,当频率较高时,粘弹性阻尼层能降低辐射声功率;与壳体厚度相比,阻尼层厚度对阻尼层去耦特性的影响更大。     

Forced response of cylindrical shells coupled with nonlinear shape-memory-alloy (SMA) actuators regulated by sinusoidal and saw-tooth temperature profiles

Dynamic responses of cylindrical shells coupled with shape-memory alloy (SMA) ring segments placed at critical locations are investigated. Since the SMA actuators are highly nonlinear and governed by the temperate-dependent stiffness and martensite/austenite fraction, input shaping and phase shift of temperature profiles are incorporated to control the shell vibrations. Open-loop equations of an elastic cylindrical shell panel are defined first and then used with assumed mode-shape functions satisfying specified boundary conditions in the free-vibration analysis. Modal-analysis data are used to determine spatial strain distributions of natural modes. Distributed modal-signal characteristics suggest optimal placements of SMA actuator segment(s) for each given mnth mode. Based on the modal-expansion method, the open-loop control force induced by the SMA ring segments applied to a simply supported cylindrical shell panel is formulated. This formulation indicates that only the odd modes in the circumferential direction can be controlled. Longitudinal modes are controlled via placing specific number, depending on the mode, of actuator segments along the panel length. To predict control effects of the nonlinear SMA ring segments, the modal participation factor response is determined for an external harmonic excitation applied to the shell along with induced SMA control forces, via sinusoidal and saw-tooth temperature profiles to generate desirable control forces and to eliminate the unwanted effects. Analysis results suggest that with proper choice of temperature waveform function to the SMA ring segments and minor modifications to frequency and phase, the SMA ring segments can attenuate unwanted external vibrations of cylindrical shells.     

不同耦合模式水下结构声辐射计算方法研究

针对水下双层圆柱壳中低频声辐射预报,分别利用基于流固耦合的FE-IBEM法和基于声固耦合的FE-IBEM法进行水下声辐射计算,比较上述两种算法在计算特性方面的差异,并通过算例对这两种算法进行分析。另外,还研究了环肋间距以及环肋厚度等对双层圆柱壳结构水下辐射噪声的影响。研究结果表明,流固耦合模式由于忽略了流体的可压缩性使得计算结果偏小,声固耦合模式充分考虑了流体对结构的耦合作用使得计算结果更合理,基于声固耦合模式的FE-IBEM法是计算结构水下辐射噪声的优选方法;合理选择环肋间距以及增加环肋厚度可以降低结构中低频水下辐射噪声。     

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。     

高速旋转薄壁圆柱壳的行波共振特性研究

基于传递矩阵法研究了不同边界条件下高速旋转薄壁圆柱壳的行波共振特性。首先,基于Love 壳体理论,考虑离心力、科氏力和惯性力的影响,建立了旋转态薄壁圆柱壳的振动微分方程;然后,引入传递矩阵方法,根据壳体子段间的状态向量表达式,推导了结构的整体传递矩阵;最后,通过高精度的精细积分法进行求解,得到了两端简支、两端固支和固支-自由边界条件下的共振特性。算例结果表明,传递矩阵方法适合于求解高速旋转薄壁圆柱壳的行波共振特性,在三种边界条件下以周向模态的振动为主;在工作转速和1倍频激振力作用下,共振裕度小于10%的共振转速点仅有一个,而在其它倍频激振下的共振转速点不在安全裕值范围内。