声-固耦合系统高频局部能量响应的FEM-SmEdA分析

针对高频激励下声-固耦合系统的局部能量响应预示问题,采用有限元(FEM)和统计模态能量分布分析(SmEdA)相结合的方法预示复杂声-固耦合系统局部能量响应。首先,以平板/声腔耦合系统为研究对象,验证FEM-SmEdA方法的准确性;随后,为了验证该方法的适用性,分别将该方法应用于湍流边界层(TBL)激励下平板/声腔耦合系统局部响应预示及加筋舱段/声腔耦合系统局部响应预示。利用双模态方程法(DMF)对基于FEM-SmEdA法的TBL激励作用下结构局部响应预示结果进行验证,基于FEM-SmEdA方法揭示TBL激励作用下舱段结构和声腔的能量分布随频率的变化规律,并研究加筋对声-固耦合系统能量分布的影响。结果表明:FEMSmEdA方法能够准确地预示高频环境下声-固耦合系统的局部能量响应;该方法适用于TBL激励下结构局部响应预示;随着分析频率的升高,舱段和声腔的能量分布更加均匀;加筋后结构的能量分布更加均匀,加筋对声腔能量响应的抑制更加明显。     

复杂机械结构中高频动响应能量有限元方法研究

从理论研究和应用研究两个方面追踪了国内外关于能量有限元的发展现状,并指出能量有限元已趋向于预示越来越复杂的结构动响应;接下来介绍本课题组近年来利用能量有限元方法针对实际复杂结构及复杂载荷环境中的高频动响应问题所做的研究工作,主要包括3个部分:一是在考虑多种传递波功率流耦合的情况下,发展了圆柱壳、截锥壳等复杂结构的高频响应能量有限元方法,从而得到了此类结构的中高频局部动响应特性;二是考虑在脉动载荷、混响室等复杂环境中,利用能量有限元方法并结合能量边界元方法预示了结构的高频振动特性和声振耦合特性;三是开发了能量有限元的计算软件,为其大规模应用奠定了基础。最后指出了能量有限元方法目前存在的问题和进一步研究的方向。     

基于解析法的加筋板封闭梯形声腔的响应分析

基于模态叠加法和声振耦合理论建立了加筋板结构与梯形声场间的耦合模型;研究了点力到筋的距离、筋的刚度、质量和根数的变化对耦合系统响应的影响。结果表明：由于加筋导致的板振动能量和梯形声腔声势能的衰减程度与点力到筋间的距离密切相关,当点力直接作用在筋上或者点力到筋的距离小于板的四分之一弯曲波长时,振动能量和声势能在较宽的频段都出现衰减现象,反之则不会出现衰减现象。梯形声腔声势能和固支板振动能量的衰减级随着筋弯曲刚度的增加而变大,而筋的质量对能量衰减的影响与分析的频段范围有关。筋的根数增加并不会使得声振耦合系统中声势能和板振动能量的衰减级一直呈现增大现象。     

非规则声腔的结构-声耦合分析

以非规则封闭声腔为研究对象，从薄板振动方程和声学的经典波动方程出发，运用格林积分理论推导出了结构-声耦合系统在外力激励下的声压响应以及声腔边界振动响应的表达式。随后在规则声腔模型的数值仿真和理论分析中验证了这一理论的正确性，并将该理论应用于非规则封闭声腔的数值仿真，仿真结果能较好地反映出结构-声的耦合作用。     

车身阻尼处理降噪的有限元分析

在车身顶棚内蒙皮表面进行阻尼处理,建立阻尼处理后的车身有限元模型。进行模态分析,振动响应分析,并将车身与车内声腔模型进行声固耦合计算。计算结果和阻尼处理前的声压级比较,证明车身表面阻尼处理能够有效降低乘坐室内噪声。     

深海顶张力立管参激-涡激耦合振动响应分析

该文研究顶张力立管参激-涡激耦合振动计算方法和动力特性。考虑立管顶端动边界条件,建立顶张力立管模型,研究其在剪切流中的涡激振动响应和参激-涡激耦合振动响应。提出立管的动力响应分析方法,分析参数激励对立管横向涡激振动的影响。结果表明,立管的横向振动响应频率存在0.5倍参激亚谐成分,参数激励对于立管横向振动具有重要影响。     

不同边界约束的弹性板封闭梯形声腔的结构-声耦合特性分析

基于解析法分别建立了梯形声腔内声场与两种边界约束形式(简支和固支)弹性壁板间的耦合模型,推导出反映声腔内声场与两种边界约束形式弹性壁板间耦合程度的通用表达式,研究了它们间的耦合特性,并对耦合系统受外界激励后的响应进行了分析。结果表明:对于简支和固支约束弹性壁板分别与梯形声腔构成的两个耦合系统,声腔声场模态与弹性壁板模态间在平行于倾斜壁面的轴向耦合依然具有选择性,而在随壁面倾斜角改变而尺寸变化的轴向其模态间耦合则不再具有选择性;弹性壁板的不同约束形式对腔控耦合系统模态的共振频率影响较小;腔控耦合系统模态的共振频率是否受壁面倾斜角的影响主要取决于倾斜壁面位置和声腔模态序数两个因素;相较于声腔壁面倾斜角对声腔内声场响应有较大的影响,其对板振动的响应影响较小。     

改进型边光滑有限元在声固耦合中的应用研究

改进型边光滑有限元法(IES-FEM)是最近针对三维中频声学数值计算色散误差问题提出的一种改进数值计算方法。将该方法拓展应用于三维声固耦合问题的中高频预测。在建模过程中分别采用IES-FEM与边光滑有限元法(ES-FEM)用于构建声腔域与结构域的耦合离散方程。通过调整离散系统中刚度矩阵,使之适度软化来达到与质量矩阵之间的平衡以减少声固耦合系统中高频响应计算的色散误差。数值计算结果表明,相比于ES-FEM,所采用的耦合计算方法在声固耦合系统中高频响应计算方面具有较高的计算精度、计算效率和较好的收敛性。     

基于波函数法的自由阻尼薄板与声学耦合响应

对敷设自由阻尼薄板振动响应进行了分析,以复刚度为基础得到了在Kirchhoff理论下复合薄板振动控制方程。基于波函数法理论,推导了自由阻尼薄板振动分析模型以及包含自由阻尼结构与声腔的三维耦合模型的建模方法;以四边固支自由阻尼矩形板及耦合的结构声学系统为例,分别以波函数法与有限元法计算了其50~500 Hz频段内的结构与声学响应。结果表明:波函数法能有效的应用于添加自由阻尼的薄板振动以及结构声耦合系统响应的预测与分析;相比于有限元法,其高精度、高收敛率的特点使波函数能有效解决更高频率的声振问题。     

热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证EI北大核心CSCD

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

复杂耦合动力系统振动响应的统计估计方法研究

复杂耦合动力系统是一种常见的工程力学系统,分析了复杂耦合动力系统振动响应的统计估计问题.首先通过动态系统的统计能量分析(SEA)方程,应用扰动法推导随机系统的能量平衡方程,进而推导复杂耦合系统响应的统计估计公式.在分析复杂耦合系统的响应统计估计时,重点分析各种形式激励对系统响应统计估计的影响以及载荷参数的确定方法.分析表明,相互独立的载荷作用是相关载荷作用时的一种特殊情况,它们可以应用统一的计算公式来表达.根据建立的响应统计估计方法,设计了相应的试验件,验证其正确性,试验结果表明,应用该推导得到的理论公式,系统响应的相对偏差能有效的减小,得到的能量平均值能够与试验值较好地吻合.     

振动与噪声统计分析的偏差估计

统计能量分析(SEA)方法是一种噪声与振动分析的有效方法,该方法把复杂结构动力学系统的模态参数处理成随机变量,因此,考虑预测结果的平均值和标准偏差是有必要的.目前关于标准偏差的研究方法有两种,Lyon方法复杂且适合于简单耦合系统,Langley方法的运算量较大.本文在Lyon方法的基础上,结合统计能量分析方法中能量流传递独有特性,提出一种实用的标准偏差分析方法.利用Langley方法验证本文提出的算法,仿真结果一致性很好,说明算法能够简便有效地估计预示响应的的标准偏差.最后,通过实验验证了该方法的可靠性.     

非规则封闭声腔在PVDF压电薄膜激励下的响应分析

在噪声主动控制领域,尽管PVDF压电薄膜相对于压电陶瓷而言应变压电常数以及扬氏弹性模量都较小,很少作为作动器使用,但由于它具有良好的柔韧性,能够大面积地覆盖在结构表面,产生大范围的分布应力,能承受较压电陶瓷大得多的电压,因此是一种很有潜力的作动器.为了分析PVDF压电薄膜对于非规则封闭声腔内部声压的控制机理,本文研究弹性边界上有一对压电薄膜作动器激励的非规则封闭声腔响应特性.文中首先以弹性边界的振动方程以及经典波动方程为基础,描述了结构-声之间的耦合作用;然后结合压电薄膜本构方程和弹性边界振动方程,给出了机电耦合的描述.结合这两种描述,本文给出了整个系统在输入交变电场的作用下,如何通过压电薄膜对结构的作用将激励传递到内部声场的理论分析,并且给出了仿真结果.     

矩形域声—固耦合系统的分析方法

运用特征值与模态展开法相结合的方法,研究双向耦合结构-声场系统;分析声学和结构耦合响应;讨论结构驱动点阻抗与声介质特性阻抗比率和声—固耦合引起声波共振频率的变化之间的关系,提出了以声-固耦合引起声波共振频率的变化作为判据,判断何时采用双向耦合分析方法。     

三十米高杆灯的风致振动的测量研究

本文通过环境激励的响应分析，研究了３０米高杆灯的动特性。然后，在发生风致振动的实际条件下，测量了振动频率和振型以及当时的风速，确认振动的原因是一种流固耦合作用形成的风的尾流脱落激励引起结构共振。文中讨论了环境激励响应测量的理论依据，测量方法、数据采集和分析技术，并给出了避免风致振动的理论依据及有关设计公式。     

充液直管管系中的固-液耦合振动响应分析

对充液直管管系中固 -液耦合 (包括连接、泊松、摩擦耦合 )对管系轴向振动响应的影响进行了研究。研究结果表明 ,固 -液耦合作用对充液管道系统振动响应影响不容忽视 ;三种固 -液耦合作用中 ,摩擦耦合影响较小 ,连接耦合与泊松耦合影响较大 ,并且其影响机理受到阀门关闭速度的影响 ;当阀门关闭较快时 ,系统响应以水锤响应激励下由连接耦合带来的受迫振动为主 ;当阀门关闭较慢时 ,系统以由连接耦合与泊松耦合带来的管道应力波为主。     

古琴共鸣体的声固耦合模态分析

模态分析中考虑古琴共鸣体与声腔内空气的声固耦合,得出不同固有频率下古琴的各阶位移场模态及声场模态。对比结构系统、声腔系统与耦合系统的仿真结果,研究空腔内空气对共鸣体壁板振动以及共鸣体壁板振动对腔内声压分布情况的影响。结果显示对古琴音量贡献较大的振动模态为呼吸模态,并且面板与底板以不同相位振动时表现的呼吸模态形式所辐射出的音量有所不同;理论推导建立了激励力频率与古琴发声响度之间的关系,为斫琴师根据激励力频率来调整古琴响度提供参考。     

仪器舱结构的能量有限元中频声振环境预示

采用能量有限元分析(EFEA)法,建立某仪器舱结构的能量有限元模型,并对其进行了声振环境的预示。将EFEA与统计能量分析(SEA)及实验测试结果进行了比较,在一定的频域内,能量有限元方法得到了较好的预示结果,与预期结果相符。相对于传统SEA方法,EFEA还可以得到响应的空间分布。该研究对仪器舱结构的EFEA建模及分析,为工程上对复杂结构声振环境预示提供了新的思路。     

夹层结构声振耦合分析方法

为了研究夹层结构的声振耦合特性,提出了夹层声场的声波导模态展开方法,在此基础上发展了声波导模态展开方法的弱耦合形式,波导边界分别研究了绝对软边界和绝对硬边界两种形式,与结构模态展开方法和声腔模态展开方法及其弱耦合形式作对比,分析了声模态和声波导模态阶数对传声损失计算精度的影响,研究了不同夹层边界条件下夹层结构的声振耦合特性和夹层声场声压的分布情况。计算表明,需要的声波导模态阶数和声腔模态阶数由计算频率段的最高频率决定,最高频率越大,需要的声波导模态阶数和声腔模态阶数也越多;夹层结构的声振耦合特性是结构振动模态和声腔模态综合作用的结果,"梁-空气-梁"共振、驻波共振以及结构共振都会使得结构的隔声性能下降;夹层边界对结构的声振耦合特型有显著的影响;不同的夹层声场处理方法对于相同的物理现象得到的夹层声场分布不完全相同,从声场分布的特点可以反映所发生物理现象的机理。