结构-声场耦合系统声压响应优化设计研究

为了减小结构振动产生的噪声,基于结构-声场耦合有限元模型,对其在简谐力激励下的声响应进行了计算。在此基础上,以结构厚度为设计变量,保持结构重量相对不变并以设计变量的上、下限为约束,以设计域点在各频率响应声压平方和的平方根为目标函数,对其进行了优化设计研究。用软件N astran计算声响应及声敏度,基于iS IGHT对N astran的集成用可行方向法实施了优化。以一矩形板结构-立方体声场耦合系统为实例,得到了优化的结构厚度分布。优化后,设计域点的峰值声压级均有不同程度的降低,声压级降低最大值达32.8dB。结果表明声压响应优化设计,在保持结构重量相对不变的情况下,通过对结构重量的重新分布能达到较明显的降噪效果。     

油烟机壳体的振动响应优化设计

为了降低油烟机壳体振动产生的噪声,基于油烟机壳体有限元模型,计算壳体在电机激励下的振动响应。在此基础上,以壳体四个部分的厚度为设计变量,保持壳体质量不超过原壳体质量,以壳体上四个敏感点的质点振速峰值为目标函数,对其进行了优化设计研究。利用商业软件Nastran 计算质点振速,基于DOE 方法利用iSIGHT-FD 对壳体厚度进行优化,得到了优化的结构厚度。优化后,设计域各点的质点振速峰值均有不同程度的降低,振动速度级降低最大值达到8.2dB。结果表明,在保持吸油烟机壳体质量不增加的情况下,通过改变壳体四个部分的厚度可以达到降低辐射噪声的效果。     

TID隔振器浮置板轨道低频减振特性研究

为了实现对地铁低频环境振动的控制,提出了一种基于TID(Tuned inerter damper,调谐惯容阻尼器)的浮置板板下隔振器,并以此形成新型浮置板轨道结构。分别探究了TID隔振器浮置板轨道的低频弹性波传播特性、简谐点荷载作用下振动特性以及列车荷载作用下减振效果;结合多目标遗传算法,开展了TID参数优化分析。结果表明：TID的引入使得传统钢弹簧浮置板新增弯曲波带隙,实现了对板内弹性波的调控;浮置板低频共振所致的振动放大问题得到较大改善。TID隔振器浮置板轨道在4 Hz～16 Hz频率范围内的减振效果得以提升,浮置板振动响应也得到减弱。     

钢弹簧浮置板中低频振动特性分析

为了探究高架线路上钢弹簧浮置板减振轨道在外激励作用下的振动特性,建立钢弹簧浮置板减振轨道-箱梁桥三维有限元模型,以美国六级谱激励下的轮轨力作为输入,对钢弹簧浮置板减振轨道的振动特性进行系统的研究;在此基础上,分析不同刚度的钢弹簧对整体轨道结构振动的影响。研究结果表明:浮置板结构的振动特性以纵向上的弯曲振动为主,同时存在不均匀分布的局部振动特性,因此只有利用三维有限元模型才能很好地研究浮置板结构的整体和局部振动特性。整体轨道结构在中低频段的振动明显,其中钢轨的主振频率集中在200 Hz～250 Hz以及425 Hz～475 Hz;浮置板在150 Hz以下的低频段振动密集,主振频段与钢轨一致,但在425 Hz～475 Hz的振动幅值与低频段相近;浮置板在主振频段的弯曲振动不是规则的同幅值正弦形式,其幅值呈逐渐递增或递减分布。钢弹簧刚度对钢轨50 Hz以下的振动频率分布有一定的影响;主要影响浮置板结构的整体振动形式,在频率较低时对振动幅值及局部振动形式也有较大的影响。     

嵌入式轨道的振动噪声特性及优化研究

结合有限元和边界元法对有轨电车以60 km/h运行时的嵌入式轨道振动噪声特性进行分析,结果表明嵌入式轨道槽内结构振动显著,可以有效地进行振动能量耗散。嵌入式轨道沿着垂向和横向上的减振效果明显。嵌入式轨道的主要辐射噪声频段为250 Hz～1 200 Hz,尤其表现在400 Hz～500 Hz和800～1 000 Hz频段内。嵌入式轨道槽内结构噪声贡献显著,轨道板噪声贡献量较小。通过槽内材料参数优化,分别得到浇注料、降噪块和弹性垫板的最优的弹性模量和阻尼损耗因子,并分析噪声敏感参数,以降噪块形状为优化方向,分析得到较优的嵌入式轨道型式。综合材料参数和降噪块形状优化结果,辐射声功率级总值可以降低1.7 dB(A)。     

钢弹簧浮置板中低频振动特性分析

为了探究高架线路上钢弹簧浮置板减振轨道在外激励作用下的振动特性,建立了钢弹簧浮置板减振轨道-箱梁桥三维有限元模型,以美国六级谱激励下的轮轨力作为输入,对钢弹簧浮置板减振轨道的振动特性进行了系统的研究;在此基础上,分析了不同刚度的钢弹簧对在整体轨道结构振动的影响。研究结果表明：浮置板结构的振动特性以纵向上的弯曲振动为主,同时存在不均匀分布的局部振动特性,因此利用三维有限元模型才能很好的研究浮置板结构的整体和局部振动特性。整体轨道结构在中低频段的振动明显,其中钢轨的主振频率集中在200-250Hz以及425-475Hz;浮置板在150Hz以下的低频段振动密集,主振频段与钢轨一致,但在425-475Hz的振动幅值与低频段相近;浮置板在主振频段的弯曲振动不是规则的同幅值正弦形式,其幅值呈逐渐递增或递减分布。钢弹簧刚度对钢轨50Hz以下的振动频率分布有一定的影响;主要影响浮置板结构的整体振动形式,在频率较低时对振动幅值及局部振动形式也有较大的影响。     

嵌入式轨道的振动噪声特性及优化研究

摘 要：结合有限元和边界元法对有轨电车以60km/h运行时的嵌入式轨道振动噪声特性进行分析,结果表明嵌入式轨道槽内结构振动显著,可以有效地进行振动能量耗散。嵌入式轨道沿着垂向和横向上的减振效果明显。嵌入式轨道的主要辐射噪声频段为250~1200Hz,尤其表现在400~500Hz和800~1000Hz频段内。嵌入式轨道槽内结构噪声贡献显著,轨道板噪声贡献量较小。通过槽内材料参数优化,分别得到了浇注料、降噪块和弹性垫板的最优的弹性模量和阻尼损耗因子,并分析了噪声敏感参数,以降噪块形状为优化方向,分析得到了较优的嵌入式轨道型式。综合材料参数和降噪块形状优化结果,辐射声功率级总值可以降低1.7dBA。     

无砟轨道-箱梁结构振动传递及参数影响分析

随着高架桥梁在轨道交通中的广泛应用,轨道交通引起的桥梁结构振动与噪声问题越来越引起人们的关注。以常见的无砟轨道-箱梁结构为研究对象,考虑常用的扣件、桥梁支座及CA砂浆性能参数,基于轨道和桥梁振动理论建立钢轨-轨道板-CA砂浆层-基座-桥梁系统空间实体振动分析模型,以轨道和桥梁结构的位移导纳为考核指标,分析振动在无砟轨道-箱梁结构中的传递,研究各关键参数对振动衰减的影响。计算结果表明:高速列车运行引起的10 Hz以内的低频振动衰减较慢,10 Hz以上的振动随着频率的增加衰减速度逐渐加快;桥梁腹板10 Hz以内的横向振动幅值约为竖向振动的10%,10 Hz以上两者振动水平相当;桥梁支座对桥梁结构低频振动有一定减振作用,而弹性扣件对中高频的桥梁结构振动有减振作用,CA砂浆层刚度对桥梁结构的振动影响较小;低刚度扣件减小桥梁振动的同时,会加剧较高频率的钢轨振动。计算及分析结果可为高速铁路桥梁结构的减振降噪设计提供参考。     

地铁隧道内不同轨道结构振动测试与分析

通过对地铁隧道内普通整体道床、Ⅲ型轨道减振器、弹性短轨枕、梯形轨枕、钢弹簧浮置板道床的现场振动测试,进行时、频域对比,了解各种减振措施在不同频率范围内的减振效果差异。结果表明,轨道减振器、梯形轨枕、弹性短轨枕及钢弹簧浮置板可分别降低隧道壁VLZmax分别为4 dB,7.6 dB,7.8 dB,19.0 dB;无论何种轨道减振措施,高频减振效果高于低频减振效果, Z计权的振动加速度级明显小于不计权的振动加速度级减振效果;梯形轨枕、弹性短轨枕、轨道减振器对50 Hz以上振动减振效果明显,钢弹簧浮置板道床对12.5 Hz以上振动减振效果明显,对控制列车运行产生的二次噪声更有效。     

儿童安全座椅低频振动的仿真与优化设计

为降低儿童安全座椅低频振动对儿童乘坐舒适性的影响,建立六自由度汽车与安全座椅动力学模型。利用Matlab/Simulink模拟汽车在B级路面以20 m/s速度行驶的工况,分析车辆和座椅的振动情况。建立优化目标泛函,为保证结果的客观性,采用层次分析法(AHP)确定优化泛函的各项加权系数。采用拉丁超立方抽样进行被动减振优化,采用LQG线性二次调节器进行主动控制,用这两种方法来实现乘坐舒适性的优化。对比仿真结果可以得出被动控制对低频处的共振峰值衰减没有效果,而主动控制在4 Hz、7 Hz、10 Hz、12 Hz、15 Hz处与初始值产生的共振峰值相比有明显的衰减。两种实验得到的安全座椅垂直振动加速度均方根值表明,被动减振优化值比初始值降低了78.9%,主动控制情况下比初始值优化了60.5%。     

基于声辐射模态的粘弹性阻尼板声功率最小化研究*

为了减小薄板结构振动辐射的噪声,在重量约束下进行了声功率最小化研究。利用有限元振动模型来处理结构振动环节,利用声辐射模态模型来处理声辐射环节,用可行方向法进行了优化设计研究。以一矩形粘弹性阻尼板为例,得到了阻尼重量约束下板的声功率最小化模型,结果表明在满足重量约束条件下能够达到明显的降噪效果。     

爆破振动峰值速度计算的优化研究

基于非线性数值分析思想,提出一种提高爆破振动峰值速度计算精度的方法,并借助MAT-LAB编程对其内部参数进行拟合求解。工程实践证明,此种优化方法明显优越于传统的萨道夫斯基经验公式和线性分析方法修正的萨氏公式,使爆破预测精度得到提高,进而为工程的防震减灾提供了更加可靠的依据。每个工程场地都存在一个最佳的装药量与爆心距指数比,建议修正《爆破安全规程》(GB6722-2003)所采用的萨氏公式中装药量与爆心距之间固定指数比的规定。此外,文中提出了一个适用于多排孔延时爆破振动速度预测模型的依据公式。     

斜拉桥中索-桥耦合非线性振动的理论研究

考虑拉索的垂度、大位移引起的几何非线性及空气动力对系统的影响,将桥面简化为等截面的连续梁,建立了索-桥耦合的非线性振动模型。得到了对不同拉索数值求解的结果,表明当桥面和拉索的振动频率比值在1:1和2:1附近的小区间范围内时,索-桥耦合系统将产生严重的内共振,并呈现拍振的特征,而拉索与桥面耦合的振动特性与索的振动频率、垂度、倾角、风速偏航角、风速大小和阻尼等因素有关,从而为桥梁的设计和计算提供了理论依据。     

高层建筑抗风优化设计和风振控制相关问题研究

高层建筑由于自振周期长、阻尼小,其高柔的特征使其对风荷载特别敏感,风荷载是沿海地区超高层建筑的主要水平控制荷载,因此在强/台风作用下,其抗风设计须在满足规范安全要求的前提下,同时又要经济实用和结构性能高效,为此,开展高层建筑抗风优化和风振控制方面的研究具有十分重要的现实意义。该文在对高层建筑抗风优化设计和风振控制研究现状做简要介绍的基础上,首先根据风荷载的特点,着重研究了考虑风速风向联合概率分布和基于可靠度及性能化的高层建筑抗风设计方法,采用最优准则法,以结构的总重或总造价为目标函数,以顶部位移、层间侧移以及顶部风致加速度为约束条件,对高层建筑结构杆件截面抗风优化设计的相关问题进行了研究。同时为提高基因遗传智能优化算法的收敛速度和获得最可能优化解,该文提出了传统基因遗传的改进算法(如基于改进罚函数及分级遗传算法)用于结构抗风优化设计。在结构拓扑抗风优化方面,则主要引入分层优化的概念,对变密度法和改进动态进化率的双向渐进拓扑优化方法,应用于抗风结构的拓扑构型优化算法进行了相关研究。通过实例分析验证了上述结构抗风优化算法的高效和正确性。在风振控制方面,该文结合摩擦摆系统和调谐质量阻尼器各自的优点,提出了摩擦摆调谐质量阻尼器(FPS-TMD)被动控制系统,对其力学和动力特性,以及高层建筑顶部带FPS-TMD系统的风振控制理论,进行了相关研究。以结构控制第三代Benchmark模型为实例,研究顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振控制效果,同时结合该文开发的基于小型电振动台的实时混合实验测试平台,采用风振控制实时混合实验结果与理论模拟计算结果的对比,验证了该文提出的FPS-TMD被动控制系统,应用于高层建筑风振控制的有效性。     

施工中大桥桥塔的TMD减振研究

施工中大桥桥塔的风致振动对施工具有很大的危害,采用调谐质量阻尼器(TMD)对其进行减振。首先,通过一个二自由度的振动模型来阐述TMD装置的工作原理,并导出了TMD参数和外激励频率与减振效果的之间的关系。然后,在讨论大桥桥塔结构按一阶模态向一个单自由度系统的等效简化问题中,提出了一种基于固有频率的等效质量简便算法。最后,结合崖门大桥的桥塔施工进行实例TMD减振分析, 实测结果表明TMD的减振效果非常好但其设计过程也很复杂。     

横向磁场中圆板的轴对称振动

给出了横向磁场中圆形薄板振动的基本方程,并对周边固支圆板的振动特性进行了分析,最后给出数值结果,表明磁场的变化对振动频率及衰减系数的影响。     

π型开口截面斜拉桥弯扭耦合涡激共振及气动减振措施研究

针对某大跨径π型叠合梁斜拉桥的气动性能,利用刚性节段模型针对其成桥状态展开了系统的风洞试验研究。试验结果表明,该桥主梁在设计风速范围内存在明显的竖弯及扭转耦合涡激共振现象,即使将竖弯以及扭转阻尼比提高到1%左右,仍然存在明显的涡激共振现象并且振幅超过规范限值。频谱分析表明,该桥主梁断面的竖弯和扭转耦合涡激共振的频率是一致的,其涡振“锁定”的频率接近竖向固有频率。探讨分析了主梁断面的弯扭耦合共振频率特性及成因。通过风洞试验对包括中央稳定板、边稳定板以及导流板在内的一系列气动减振措施进行了参数化的研究,并提出了最优的减振方案,有效抑制了该桥的涡激共振现象。研究成果可为类似桥梁断面涡激共振减振设计提供参考。     

车轨桥中高频耦合振动分析的功率流方法及模型

轮轨滚动激励引起的桥梁振动响应和输入功率是计算桥梁结构辐射噪声的重要参数。时域车轨桥耦合振动分析常用于低频振动分析,但在中高频分析时效率较低。为此,提出一种基于力法原理的频域功率流方法解决这一问题。采用无限长Euler梁或Timoshenko梁建立钢轨部件,采用无限大Kirchhoff板、Mindlin板或有限元模型建立桥梁部件,采用弹簧元件模拟钢轨与桥梁之间的连接扣件,并以弹簧力为未知量建立力法基本方程。对比计算了不同轨桥模型对U梁和箱梁桥振动功率的影响。结果表明:U梁桥面板的剪切效应对桥梁振动功率计算结果影响很大,采用传统的无限大Kirchhoff板模型将导致功率级计算误差达到15 dB,而采用Mindlin板模型可获得良好的计算精度与效率。相对于箱梁实体有限元模型而言,采用Mindlin板模型的误差仍然较大。     

韧带型手性结构固有频率优化

对具有负泊松比的六韧带手性结构的动力性能进行了研究。以提高韧带手性结构胞元结构刚度为目标,建立基于固有频率参数的优化模型。通过定义不同阶次固有频率对应的权重系数,实现了固有频率参数的归一化。选择韧带手性结构胞元的韧带厚度、圆环壁厚两个参数为优化变量,建立了结构优化方程。最后,应用遗传算法（GA）对韧带手性结构进行优化。结果表明,优化后其前几阶固有频率明显提高,为减振降噪新材料的设计与应用提供了参考。      

基于经验线性涡激力的桥梁涡激振动TMD控制

涡激振动是大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种风致振动,是大跨度桥梁抗风设计中的重要环节。为了有效抑制桥梁的涡激振动,研究了TMD对桥梁涡激振动的控制。建立了桥梁与TMD组成的振动系统的运动方程,在复频率里对运动方程进行求解,推导了振动系统的频率响应函数,给出了TMD参数优化设计的方法。以一大跨度悬索桥为实例,对该悬索桥进行了1∶20的大节段模型涡激振动风洞试验,获取了桥梁的涡激振动气动参数,分析了TMD对桥梁涡激振动的控制。TMD参数优化结果表明:质量比越大,控制率越高,但工程中应综合经济性等因素考虑合适的质量比;TMD质量比一定时,TMD与桥梁的频率比趋近于1附近,相位差趋近于π/2附近,控制率较高;当桥梁主梁高度对TMD行程有限制时,涡振控制效果将受到影响,利用TMD进行桥梁涡激振动控制需结合TMD的行程来综合考虑参数的优化取值;就本桥而言,当按质量比为1%设计TMD最优参数时,在整个涡振区风速范围内,桥梁的涡激振动都得到了有效的抑制。