声学-结构设计灵敏度分析

声学 -结构设计灵敏度分析揭示了结构振动引起的辐射声压与结构设计变量之间的关系。分别用有限元法和边界元法计算结构设计灵敏度和声学灵敏度。将两个灵敏度结合得到最终的声学 -结构设计灵敏度。在边界元计算中 ,采用退化元处理奇异积分问题 ,对特征频率不唯一问题采用CHIEF方法处理。以脉动球和箱体为例 ,验证了算法的可行性和精确性。     

随机激励下结构振动声辐射的灵敏度分析和优化设计

基于有限元法、边界元法和虚拟激励法,对随机激励下结构振动声辐射灵敏度分析及优化设计问题进行研究.有限元法用于计算结构谐振响应,边界元法用于计算结构振动声辐射,虚拟激励法结合有限元和边界元计算随机激励下结构振动声辐射问题.提出随机激励下结构振动声辐射问题的优化模型及求解算法流程,重点推导了其灵敏度分析公式.数值算例验证了灵敏度分析的准确性及优化求解算法的有效性.     

基于直接微分法的水下结构声学快速敏感度分析

在降低结构振动噪声方面,结构声学优化方法展现了很高的应用潜力,并越来越受到研究者们的重视。通过结构声学敏感度分析建立辐射声场与结构材料属性和结构形状参数的关系,结合优化算法可设计出低辐射噪声和高声隐身性能的水下航行结构。发展耦合有限元法与快速多极高阶非连续边界元法进行流固耦合问题的敏感度分析,克服传统耦合算法的计算精度低,内存占有量高,难以进行大规模实际问题的计算等问题。设计变量可选为流体密度、结构密度、泊松比、杨氏模量、壳厚度和形状参数等。针对不同设计变量,采用直接微分法分别推导出结构声学系统和辐射声功率敏感度表达式。通过带有解析解的水下点激励球壳算例验证算法的正确性与有效性,并通过简化潜艇算例展示该算法在大规模实际问题上的应用潜力。     

基于多域边界元法的声学形状灵敏度分析

将多域边界元法引入声学灵敏度分析,以边界元网格尺寸为有限差分法的步长,以数值外推方法获得外延节点处的边界条件,避免了大量系数矩阵的二次计算,可快速获得结构尺寸发生扰动后的辐射声压,从而可以有效地获得声学灵敏度曲线,更利于工程实际的应用.对该灵敏度公式进行数值计算,与传统全局有限差分法对比,证明了方法的正确性与有效性.     

基于有限元-边界元的声学构形灵敏度分析

通过灵敏度分析可以对由结构修改而引起的局部或全部结构状态特性的变化做出估计,为设计指明方向.对结构-声学优化设计中的构形灵敏度进行研究,利用有限元、边界元数值计算方法获得辐射声压关于组合结构各构件旋转角度的半解析声学构形灵敏度公式,扩大了声学灵敏度的范畴.该声学灵敏度公式可以用来预测结构组合方式的改变而导致的空间声学量的改变.对该灵敏度公式进行数值计算,与传统有限差分法对比,证明了本文方法的正确性.     

船用柴油机油底壳声辐射计算及结构优化设计

以某船用高速柴油机油底壳为研究对象,通过测试获得油底壳激励载荷,分别利用声振耦合模式下有限元-边界元法及非耦合模式下有限元-边界元法计算油底壳辐射噪声。结果表明,不同模式下油底壳辐射声功率曲线基本吻合,油底壳与辐射介质间耦合作用可以忽略。分别利用非耦合模式下有限元-边界元法(FE-BEM)、有限元-匹配层技术(FE-AML)及有限元-无限元法(FE-IFEM)计算油底壳辐射噪声,探索了3种方法在建模规模、计算精度及计算耗时方面的差异性。研究发现,宜首选有限元-边界元法计算船用柴油机油底壳辐射噪声。为减小油底壳辐射噪声,对油底壳结构进行多目标形貌优化设计,结果表明,形貌优化可有效降低油底壳振动及辐射噪声,减少设计重复性并缩短设计周期。     

基于响应面法的槽形梁结构噪声优化研究

轨道交通槽形梁结构在列车动载作用下会辐射低频噪声,这种低频噪声对人体健康危害很大。以轨道交通30 m简支槽形梁为研究对象,基于车桥耦合分析模型,利用有限元法和边界元法计算槽形梁结构辐射声功率。将响应面法与辐射声功率计算相结合,建立了以槽形梁辐射结构噪声在分析频率范围内的总声功率级为目标及以槽形梁质量为约束的声学优化模型,再利用序列二次规划法进行求解,最终找出了槽形梁结构声学最优的截面尺寸。优化后槽形梁底板厚度为0. 34 m,腹板厚度为0. 22 m。计算结果表明,利用响应面法可以有效的对槽形梁进行声学优化,而且优化后的降噪效果还是比较显著的。     

声呐导流罩内声场特性研究

为研究机械激励下声呐导流罩壳内噪声预报问题,采用数值计算(有限元法-边界元法)结合实验的方法对一导流罩模型的壳内声场进行研究。首先依据实际导流罩模型建模,并加载机械激励进行数值计算,得到壳内声场的均方声压,然后进行湖内实验测量,最后对比了数值计算和实验的结果。研究表明:有限元法加间接边界元法是分析导流罩内声场这种封闭结构流-固-声耦合问题的有效方法;导流罩壳内声场的数值计算结果与实验测量结果吻合较好;声场均方声压与结构均方振速之比反映了罩壳结构内平均声场特性,可用来对比分析数值计算和实验的结果。     

双环减速器辐射噪声数值仿真及试验研究

以中心输入式双环减速器为研究对象,综合考虑齿轮内部动态激励以及环板不平衡惯性激励,建立了减速器传动系统及结构系统的动力有限元分析模型,应用ANSYS软件对双环减速器进行固有模态及动态响应数值仿真。以振动位移作为边界条件,建立减速器箱体的声学边界元分析模型,在SYSNOISE软件中用直接边界元法计算了箱体表面声压及场点的辐射噪声。利用传动系统试验台对双环减速器进行振动加速度及辐射噪声测试,并与数值仿真结果对比分析,两者吻合良好。     

基于FEM/BEM法的模拟舱室结构声辐射仿真与试验

针对机舱结构辐射噪声问题,基于有限元/边界元法,对模拟舱室结构进行辐射声场仿真与试验。首先建立模拟舱室结构的有限元模型,对模拟舱室结构进行模态试验,将仿真计算与模态试验进行对比,验证了有限元模型的正确性。然后进行模拟舱室结构的声辐射试验,得到模拟舱室结构内部的声压频响特性。最后在ANSYS中对模拟舱室结构进行瞬态响应计算,将结构受节点力激励的响应导入Virtual Lab中,采用间接边界元法计算空腔结构内部的辐射声场。仿真与试验有较好的一致性,表明该方法是正确、可行的。     

A multi-domain boundary element formulation for acoustic frequency sensitivity analysis

The determination of acoustic sensitivity characteristics for vibrating structures with respect to the design parameters is a necessary and an important step of the acoustic design and optimization process. Acoustic frequency sensitivity analysis, as one kind of the sensitivity analysis, is extremely useful for large models in which only a few discrete frequencies can be analyzed due to high computational cost. Through frequency sensitivity analysis, the acoustic performance can be obtained near the initial frequency for less cost than a second full analysis. However, based on single-domain boundary element method (BEM), acoustic sensitivity analysis also has low computation efficiency. When many forces, with the same frequency, act on one vibrating structure, it is hard to decide which one should be improved. On the contrary, by using multi-domain BEM, the sensitivity figure can clearly show which exciting frequency has the greatest influence on acoustic characteristics with lower computational cost. Adopting multi-domain BEM, the expressions of the change of acoustical characteristic with respect to the change of the frequency are presented for exterior problems. The sensitivities of coefficient matrix are computed by analytical differentiation of the discrete Helmholtz integral equation. Finally, several examples are given to demonstrate the validation and availability of the presented method.     

薄板结构辐射声功率及其灵敏度分析

联合利用有限元方法和声辐射模态方法求解薄板结构辐射的声功率,并分析结构辐射声功率关于设计变量的灵敏度。在结构振动环节,利用有限元方法对结构进行动力响应分析得到表面振速;在声辐射环节,采用声辐射模态展开获得振动表面辐射的声场信息。以加筋板结构为例,计算结构振动辐射的声功率及其关于设计变量的灵敏度。结果表明,当激励频率远离结构振动固有频率时,加筋可以降低结构辐射的声功率;而当加筋使结构固有频率接近激励频率时,加筋甚至产生负面影响,此时通过加筋降低结构辐射声功率是没有意义的。     

Topology optimization of exterior acoustic-structure interaction systems using the coupled FEM-BEM method

This paper presents an efficient topology optimization procedure for exterior acoustic-structure interaction problems, in which the coupled systems are formulated by the boundary element method (BEM) and the finite element method (FEM). So far, the topology optimization based on the coupled FEM-BEM still faces several issues needed to be addressed, especially the efficient design sensitivity analysis for the coupled systems. In this work, we contribute to these issues in two main aspects. Firstly, the adjoint variable method (AVM) formulations are derived for sensitivity analysis of arbitrary objective function, and the feedback coupling between the structural and acoustic domains are taken into consideration in the sensitivity analysis. Secondly, in addition to the application of fast multipole method (FMM) in the acoustic BEM response analysis, the FMM is now updated to adapt to the arising different multiplications in the AVM equations. These accelerations save considerable computing time and memory. Numerical tests show that the developed approach permits its application to large-scale problems. Finally, some basic observations for the optimized designs are drawn from the numerical investigations.     

有限元/边界元方法在卡车驾驶室声学分析中的应用

利用有限元分析软件ANSYS和边界元分析软件SYSNOISE对卡车驾驶室的振动与内部声辐射做了数值计算分析研究.应用ANSYS软件建立了驾驶室有限元分析模型,说明了振动频响分析方法,动力学计算结果与声学边界元模型耦合的具体步骤.介绍了如何应用SYSNOISE软件建立驾驶室三维边界元声学分析模型,并采用直接边界元法,对驾驶室振动声学特性进行了计算分析.     

振动板速度最小化减振优化设计研究

减振设计是结构设计的重要内容之一，优化设计可在设计阶段通过对设计模型的定量修改获得理想的减振效果。基于有限元直接法计算振动板的频率响应，以板局部厚度为设计变量，计算了振动速度对局部板厚度的灵敏度；以振动板各节点振动速度的平方和最小化为目标，建立了减小振动板振动速度的减振优化数学模型，用可行方向法实现了优化。以一两端固支矩形板的振动为研究算例，对其在1Hz～200Hz的振动实施了优化；优化后振动板各节点在研究频率内的振动速度都得到了降低，降低最大值达0．311m／s。实例结果表明，优化设计通过对结构重量的重新分布可在结构重量相对不变的情况下，在一较宽频段内均得到减振效果。     

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。     

车内噪声预测与面板声学贡献度分析

面板声学贡献度分析是汽车NVH特性研究的重要内容，识别各面板对车内场点的贡献度对于控制车内噪声有着重要意义。利用有限元结合边界元的方法，建立三维车辆乘坐室声固耦合模型，使用ANSYS软件计算出乘坐室在20-200Hz频率的声固耦合振动特性后，采用LMS Virtual．lab软件预测了驾驶员左、右耳的声压响应。并通过各壁板对驾驶员右耳声压的面板贡献度分析，得出了各壁板对驾驶员右耳总声压的贡献度，为降低车内某点噪声进行结构修改提供理论依据。通过对结构修改，有效降低了车内某点噪声。     

基于频偏应答的ADCP流速现场校准方法研究

针对声学多普勒流速剖面仪(ADCP)现场校准困难的问题,介绍了一种基于频偏应答的ADCP流速现场校准方法。通过声信号应答器,设置回发信号相对于发射信号的频偏实现速度矢量的模拟,并以频率为溯源量,对ADCP发射的信号及应答器回发频偏信号进行频率校准,进而实现ADCP流速参数的现场校准。研制了一套基于频偏应答的ADCP流速现场校准装置,在实验室消声水池条件下,以四波束300kHz ADCP为校准对象,开展了1～2m/s的流速校准实验,进行不确定度分析。结果表明,该装置对流速校准的不确定度达到1％模拟流速＋7mm/s,验证了该校准方法的可行性。