复合材料多层圆柱壳振动和声辐射问题研究进展

鉴于复合材料优良的力学和声学性能,将其用于潜艇结构已成为未来的发展趋势和研究重点。而圆柱壳作为潜艇的主体结构形式,针对复合材料多层圆柱壳的振动和声辐射问题的研究已广泛开展。在满足水下承载能力的前提下,复合材料耐压圆柱壳趋于中厚壳,甚至厚壳,沿壳体厚度方向的横向剪切变形、压缩变形、截面翘曲变形不可忽略,这些因素直接决定了横向振动位移场描述的准确度,会进一步影响壳体周围声辐射场预报的准确性。现有的壳体理论主要有经典壳体理论、一阶剪切变形理论、高阶剪切变形理论、分层理论、锯齿理论和三维弹性理论等,这些理论发展比较成熟,但大多研究仍局限于正交各向异性薄壳结构的振动问题,涉及各向异性材料厚壳结构的声辐射研究较少,且目前对于这些壳体理论在复合材料圆柱壳的振动和声辐射问题的适用性方面缺乏系统的总结和研究。本文首先从复合材料的刚度特性出发说明其振动和声辐射问题求解的复杂性,然后从横向振动位移场的角度综述了这些理论的发展过程、研究现状以及各自的特点,最后给出了这些理论的适用范围和使用建议,并提出了有待进一步研究的问题,以期为复合材料多层圆柱壳结构的设计和振声性能分析提供参考。     

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。     

水中有限长纵向加肋圆柱壳体振动与声辐射影响因素研究

本文以水中有限长纵向加肋圆柱壳体为研究对象,推导了水中有限长纵向加肋圆柱壳体的声固耦合振动方程,其中纵向肋骨的作用表现为在基本圆柱壳体声固耦合振动方程中增加相应的附加阻抗,因此壳体的振动和声辐射由壳体机械阻抗、辐射阻抗和纵向肋骨附加阻抗决定。通过数值仿真算例对外力激励下有限长纵向加肋圆柱壳体振动与声辐射影响因素进行了研究。结果表明纵向加肋对水中圆柱壳体的辐射声功率影响不大,但壳体表面平均振动速度明显降低,而材料损耗因子对几乎所有频段内水中圆柱壳体的辐射声功率和表面平均振动速度都有明显抑制作用。     

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。      

加肋圆柱壳水下声辐射数值分析几个问题研究

利用通用数值分析程序以及解析方法计算了单个舱段以及三个舱段单层加肋圆柱壳水下声辐射,获得了结构表面振速到远场辐射噪声的传递函数,对数值分析程序以及解析方法计算结果进行了分析比较,结果表面一个舱段结构和三个舱段结构辐射声场以及传递特性是不同的,采用一个舱段结构模型模拟多个舱段结构水下声辐射特性是不行的.采用了不同密度网格进行计算,结果表明粗网格也可以获得较好计算结果.     

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。     

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。     

加肋圆柱壳结构的FE-BE算法网格尺度划分原则研究

研究结构有限元耦合流体边界元算法(FE-BE算法)中结构湿表面的网格尺度划分原则具有十分重要的意义。以有限长加肋圆柱壳为研究对象,采用波数谱分析方法分离出结构主振型分量(携带能量最多的振动模式)。根据分析结果提出FE-BE算法中结构湿表面的网格尺度划分原则,并采用FE-BE算法验证了该原则的有效性。     

基于Riccati传递矩阵法分析水下有限长环肋圆柱壳的声辐射性能

采用与以往解析法和FEM/BEM不同的思路,通过运用Riccati传递矩阵法和齐次扩容精细积分法求解水下圆柱壳声振问题的一阶矩阵微分方程,提出一种新的半解析半数值法分析有限长环肋圆柱壳的声振问题。声压解析表达式由满足Helmholtz方程的基本解的线性组合表示;利用液固交界面的法向速度协调条件以及在壳体母线上配点,从而将结构的声振耦合方程转化为求解声压系数的线性代数方程组,实现了对环肋圆柱壳声振问题的求解。数值算例研究了几个重要计算参数对精度的影响;另外通过结果比较表明了该方法的有效性。该方法可以进一步推广到求解有限长环肋圆锥壳以及环肋锥壳组合壳的声振问题。     

具有内部平面板架的环肋柱壳耦合振动性能分析

利用有限元软件ANSYS对具有内部平面板架的环肋柱壳进行振动性能分析，计算了空气中、水中和静水压力作用下结构的固有频率和固有模态，讨论了减振器弹簧刚度的变化对结构耦合振动的影响。     

Coupled BEM/FEM approach for nonlinear soil/structure interaction

A general coupled boundary element/finite element formulation is presented for the investigation of dynamic soil/structure interaction including nonlinearities. It is applied to investigate the transient inelastic response of structures coupled with a halfspace. The structure itself and the surrounding soil in the near field are modeled with finite elements. In this part of the model inhomogeneities and an elastoplastic material behavior with hardening effects can be taken into account. The remaining soil region, i.e. the elastic halfspace, is discretized with the boundary elements. Thus wave radiation to infinity is included in the model. In representative examples it is shown that the methodology is computationally powerful and can be used efficiently for the nonlinear analyses of complex soil/structure interaction problems.     

Integrated FEM/BEM approach to the dynamic and acoustic analysis of plate structures

An integrated finite element/boundary element method approach to the prediction of the interior acoustic radiation of open ended box structures is presented. Dynamic response of the structure is predicted in terms of the nodal displacements under sinusoidal point force excitation using the finite element method. Theoretical results obtained in terms of frequency response functions are verified using the results from tests performed on a box structure. The interior acoustic field is then examined by the boundary element method using the boundary conditions obtained from the finite element analysis. Sound pressure levels produced inside the structure are calculated and the results are compared with the experimental measurements.     

用耦合有限元／边界元方法研究加筋板的声传输

采用耦合的有限元／边界元方法,建立了考虑流体结构耦合的加筋板结构声传输计算模型,并利用该模型计算研究了加筋板的声传输特性。数值计算表明：结构的传声损失与结构的固有频率和激励频率密切相关,避免共振仍是产要的;改变板厚或肋骨惯性矩后,由于结构固有频率发生了变化会使得结构传声损失曲线上极小值的位置发生改变;当声波从空气经结构向空气中传递时,增大板厚或肋骨惯性矩可明显增大结构的传声损失;而当声波从空气经结构向水中传递时,增大板厚或肋骨惯性矩也增大了结构的传声损失,但效果明显不如当声波从空气经结构向空气中传递时显著。     

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.     

基于FEM和BEM法的大型立式齿轮箱振动噪声计算及测试分析

根据某大型立式行星传动齿轮箱的结构和安装特点,基于FEM法建立了该齿轮箱的和有限元模型,对其进行了振动模态分析,计算了其模态频率和稳态不平衡响应;基于BEM法建立了该齿轮箱的外声场边界元模型,导入了齿轮箱振动稳态不平衡响应结果作为声学边界条件,对辐射声场进行了数值计算和仿真分析。通过对齿轮箱进行现场振动和噪声测试分析,得到的测试结果与理论计算结果较为一致,表明了理论计算的可行性和准确性     

FEM/BEM法计算空调机室外机箱结构噪声辐射

采用有限元与边界元耦合的方法，编写了相应程序对空调室外机箱的激励进行处理并对其结构声辐射进行了计算。试验结果表明该方法具有较高的精度。在此基础上讨论了机箱板厚对噪声辐射特性的影响，为空调机箱的优化设计提供了可靠的基础。     

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。     

Hybrid FEM/BEM modeling of finite‐sized photonic crystals for semiconductor laser beams

We propose a 2‐D finite element/boundary element hybrid method for calculating the spatial distribution and frequency response of electromagnetic waves coming from a semiconductor laser when interacting with a finite‐sized photonic crystal. We thus provide a flexible tool for the design of novel optical and microwave devices, among other applications. In opposition to current methodologies, we simultaneously take into account the laser modes, the finiteness of the crystal, and the unboundedness of the isotropic medium in which the crystal is embedded. At the laser output, instead of approximating reflected and transmitted beams by plane waves, we use the more realistic Hermite–Gauss functions. In the isotropic medium, we set an artificial boundary encircling the crystal and define exterior and interior domains. Radiating solutions for the scattered far field over the exterior are derived analytically through a series of Hankel polynomials. The interior domain is described by a finite element formulation coupled with Dirichlet‐to‐Neumann maps enforcing laser and far‐field behaviors. Results and error analyses are provided in view of future improvements. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

阻尼处理对水下弹性壳体振动声辐射影响分析

利用有限元软件ANSYS和边界元软件SYSNOISE对水下弹性壳体在不同阻尼处理下受激振动与声辐射特性作了数值计算分析研究,讨论了粘弹性阻尼厚度及敷设方式对水下弹性壳体振动声辐射特性的影响,研究表明：阻尼处理可以有效的降低结构的辐射声功率,阻尼层的厚度不是越厚越好,要结合激励力的频谱特性和壳体的振动特性来选择合适的厚度,敷设方式内粘自由阻尼层要比外粘减振效果好.