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。      

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。     

用波传播方法分析复合材料层合圆柱壳的振动

用一阶剪切变形理论获得复合材料层合圆柱壳的运动微分方程，再应用波传播方法分析其自由振动的频率。通过比较，本文的计算方法所得的结果与文献^[5]比较吻合。本文还研究了几种壳体参数对圆柱壳自由振动频率的影响。h／R的比值对频率影响当周向模态n=3时较大，n=2时次之，n=1时较小。E1／E2的比值越大，频率越大。辅层的角度在n较小时对频率的影响不大，在n比较大时，角度越小影响越大。     

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。     

复合材料层合圆柱壳的动力响应与层间应力

采用分层壳理论和厚度方向的二次插值函数推导出正交铺设层合圆柱壳的动力响应方程,并得出简支层合圆柱壳自由振动问题的解。对于给定算例,计算出的自振频率与三维分析的结果吻合良好,说明所推导的二维解具有足够精度。计算了前四阶模态对应的壳中应力。计算结果说明,对于高阶模态,层间应力相对于面内应力的比值远高于低阶模态的对应比值,高的层间正应力是高阶模态导致脱层破坏的主要原因。     

双层圆柱壳振动传递及近场声辐射特性研究

水下加筋圆柱壳体振动和声辐射是近年来研究的一个热点问题。文章从实验和数值计算两个方面,对水下加筋双层圆柱壳的振动传递及声辐射进行了研究。实验模型表面敷设了隔声去耦材料,分为四种工况:双壳全敷设、内全敷设、外全敷设、外部分敷设,对单频激振时内外壳体间的振动传递以及各工况下的近场声压进行了分析。结果表明,托板在内外壳的振动传递中起着较大的作用,内外壳全部敷设隔声去耦材料对抑制振动和声辐射最有效。为了减小托板对振动及声辐射的影响,提出了复合托板结构,即在托板上添加方钢结构,并对含复合托板的圆柱壳声学特性进行了数值研究,表明方钢在中高频段能有效降低壳体的振动及声辐射。     

复合材料圆柱壳非线性热弹耦合振动

根据复合材料圆柱壳的非线性动力方程,研究了复合材料圆柱壳的非线性热耦合振动,应用Galerlein原理及改进的L－P法对其非线性热耦合振动进行求解,并讨论分析了温度、长径比、厚径比对复合材料圆柱壳非线性热振动固有频率的影响。     

复合材料纵横加筋圆柱壳自由振动分析

使用能力法分析了两端简支复合材料纵横加筋圆柱壳的自由振动特性,从Love’s理论出发,分别计算壳体面板和纵横加筋结构的应变能和动能,在计算加筋结构应变能和动能时,将加筋结构的作用影响平均在整个壳体区域。然后代入Lagrange方程得到频率方程。通过比较,计算方法所得到的结果与文献比较吻合。采用平均法计算的结果比采用离散方法计算的结果偏小。还研究了壳体和加筋结构参数的变化对圆柱壳自由振动频率的影响。     

复合材料夹芯圆柱壳水下振声性能试验研究

为了评估复合材料夹芯圆柱壳的振动和声辐射特性,专门设计了一个复合夹芯圆柱壳模型以及一个等质量的钢壳作为对比模型,进行水下振动和声辐射试验。试验结果表明:吸声壳和钢壳前七阶固有频率测试值与有限元仿真结果吻合较好,说明了实验结果的可靠性。钢壳和复合材料壳频响测试曲线与数值仿真结果在低频段的吻合程度更高,且钢壳频响测试曲线与有限元计算曲线吻合程度优于复合材料夹芯壳。从复合材料夹芯壳的减振效果来看,试验测试平均减振18.3 dB,数值计算结果平均减振18.9 dB,说明该芯材壳体具有良好的阻尼性能。从复合材料夹芯壳低频段的吸声效果来看,八个方位角处声压级最大降幅为5.05 dB,平均降幅为2.28 dB,表明该复合材料夹芯圆柱壳能够有效抑制低频线谱噪声。     

复合材料层合厚圆柱壳高阶理论的改进及其应用

建立了一个改进的LCW型的精化高阶理论,以分析厚圆柱壳的振动。提出u,v为三次多项式、w为二次多项式的位移模式,并利用上、下自由表面横向剪应力为零的边界条件,对所假定的位移场作了化简,将三阶剪切变形理论的未知数缩减为7个,在此基础上建立了相应的有限元列式。通过一个典型算例,与Soldatos和Lam的高阶剪切变形理论的解析解作了比较,说明笔者的精化高阶理论是可行的,而且具有较高的精确性,比LCW高阶理论更具有实用性。还通过频率参数随长度半径比L/R的变化,说明由于考虑了法向应力和法向应变,本文方法更适用于长度半径比较小的结构。     

轻质弱辐射的阻尼夹芯复合材料圆柱壳的优化设计

基于三维弹性理论,对阻尼夹芯复合材料圆柱壳在简谐点力作用下的振动声辐射进行优化研究。建立了以总质量、基频和模态阻尼为优化目标的多目标函数优化模型,对纤维层和芯层厚度分布和铺层方式进行优化设计;经与其他文献及"有限元+边界元"法得到的结果对比,验证了三维弹性理论的计算结果的有效性;分析了三明治夹芯圆柱壳的振动和声辐射的影响因素,发现芯层中面线位置高于整壳中面线时有利于提高基频,降低声辐射功率;且随着铺层角的增加,固有频率呈抛物线型变化趋势,模态阻尼比则逐渐减小。经优化设计,声功率一阶共振频率向高频方向偏移20 Hz,最大声功率降低11.66 dB,200 Hz以下的低频段,声功率峰值密度明显降低。     

埋入形状记忆合金丝的复合材料圆柱壳壁板的热振动特性分析

采用有限元软件ABAQUS实现了埋入形状记忆合金（SMA）丝的复合材料圆柱壳壁板结构热振动特性分析．基于“ang-Rogers本构模型编写用户子程序（UMAT）模拟形状记忆合金材料的超弹性行为和形状记忆效应，并在不同温度和应力状态下验证了程序的正确性．基于此程序，计算了埋入SMA丝的复合材料圆柱壳壁板在温度和机械载荷作用下的一阶固有频率，分析了其热振动特性和屈曲特性．模拟结果表明：加热驱动SMA丝一般会提高结构的固有频率和屈曲临界，SMA丝的数量对结构的热振动和屈曲特性有显著影响。这些结论将对智能复合材料结构设计、抗热设计有一定的指导作用。     

径向冲击下复合材料层合圆柱壳的动力屈曲

采用Lagrange方程导出包含横向剪切变形和转动惯量的复合材料层合圆柱壳径向脉冲屈曲控制方程;用四阶Runge-Kuta方法对方程数值求解,寻找占优屈曲模态数及对应于允许初缺陷放大值时的临界冲击速度;通过计算碳/环氧材料角铺设层合圆柱壳,讨论了横向剪切变形、壳体几何尺寸、铺层角度等因素对层合圆柱壳动力屈曲的影响.     

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。     

正交各向异性多层复合材料球壳振动的平衡方程

本文应用Ｒｅｉｓｓｎｅｒ，Ｅ．的壳体振的基本理论和假设，推导出正交各向异性球壳振动的平衡方程。其中包括应－应变关系，内力－应变关系，动力平衡方程，边界条件等，本文对于工程应用有一定的参考价值。     

无限长双层加肋圆柱壳水下声辐射解析计算

建立了无限长双层加肋圆柱壳水下声辐射解析计算方法,计算模型采用了Donnell壳体理论,考虑环肋、舱壁和实肋板对内外圆柱壳径向反作用力,利用傅氏变换和模态展开在波数域建立了这种计算模型的声弹耦合控制方程.文中推导了所有结构部件以及水介质的速度阻抗表达式,利用稳相法得到远场辐射声压.计算表明,实肋板和舷间水都是重要的声传递通道,在双层圆柱壳水下声辐射计算时必须考虑实肋板和舷间水的振动传递,双层圆柱壳水下声辐射对结构参数(壳板厚度、舷间距离等)变化不敏感.     

钢筋混凝土圆柱壳声辐射特性的有限元研究

空气中两端简支支撑的钢筋混凝土加肋壳体的声辐射问题,由于加强钢筋及环肋的作用增加了系统共振频谱的复杂性,用解析的方法解决此类问题存在困难。利用有限元软件ANSYS,分析了内部空气及环肋数量对壳体声辐射特性的影响。计算结果表明,在低频情况下,内部空气对壳体的声辐射特性影响不大,采取合理的加肋措施可降低结构的辐射声压级。     

轴向极化的层合压电圆柱壳的自由振动

从轴向极化的三维圆柱型正交各向异性压电弹性力学基本方程出发,建立了状态方程。采用细分近似方法,得到了状态变量解。分析了两端简支的层合压电圆柱壳的自由振动问题,给出了频率方程的精确形式,并作了具体计算。     

正交铺设复合材料层合圆柱壳自由振动分析的辛空间波方法

针对正交铺设复合材料层合圆柱壳的自由振动分析,提出了基于辛空间的波方法。首先基于Kirchhoff-Love薄壳理论,选取合适的状态向量,推导了复合材料层合圆柱壳在辛体系中的振动控制方程;其次利用分离变量法将正交铺设复合材料层合圆柱壳的自由振动问题转化为Hamilton体系下的辛本征值问题;最后根据辛空间波形与圆柱壳模态的对应关系,得到不同边界条件下的自由振动波数,进而得到圆柱壳自由振动问题的代数方程组,求解即可得到正交铺设复合材料层合圆柱壳的固有频率和模态。数值算例对比了该方法和其他方法计算得到的圆柱壳固有频率,验证了该方法的有效性和准确性。     

不同边界条件下截顶正交各向异性圆锥壳的振动和声辐射研究

采用波传播法和Galerkin法,研究了两端简支和固支边界条件对截顶正交各向异性圆锥壳的固有频率和声辐射的影响,通过与现有文献及数值仿真结果相比较,验证了理论分析的正确性。结果表明,简支和固支边界对正交各向异性圆锥壳固有频率的影响与圆锥壳半顶角的大小和母线与环向方向的弹性模量比的大小相关。当正交各向异性圆锥壳的半顶角较大时,对与不同的弹性模量比,固支圆锥壳的固有频率都大于简支圆锥壳的固有频率;而对于小半顶角的正交各向异性圆锥壳,当弹性模量比较小时,简支圆锥壳在大周向波数处的固有频率略大于固支圆锥壳的固有频率。随着圆锥壳半顶角的增大,两种边界对正交各向异性圆锥壳的声压级的影响也逐渐增大。