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。     

基于声辐射模态模型求解声功率灵敏度

声功率灵敏度分析揭示了结构振动引起的辐射声功率与结构设计变量之间的关系。通过利用声辐射模态模型来处理声辐射环节,利用有限元振动模型来处理结构振动环节,从而提出一种新的声功率灵敏度求解方法。在带障板的加筋板声辐射模型中,采用较常用的瑞利积分模型处理辐射环节的方法对其进行了验证。最终验证了这种方法的可行性。     

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。     

基于谱元法的加筋双层板声透射分析

首先应用谱元法(SEM)建立简支加筋双层板结构在简谐平面声波激励下的振动响应分析模型,将所得结果与有限元法(FEM)计算结果对比,表明谱元法(SEM)在求解该类问题时具有精度高和求解速度快的优点。然后应用Rayleigh积分求解加筋双层板结构路径传声的透射声功率。在筋板截面面积不变的约束条件下,研究筋板倾角与面板间距在声波正入射情况下对透射侧面板辐射声功率的影响。结果表明:筋板倾角越大,加筋双层板的透射声功率越小;在倾角小于22o的情况下,隔声性能随着面板间距的减小而提高。分析结果对加筋双层板的结构设计与隔声优化具有一定的指导意义。     

基于拓扑优化的结构加强筋布局降噪方法研究

基于变密度拓扑优化方法,提出了通过优化加强筋布局来降低谐振结构辐射声功率的策略。优化中将加强筋单元的伪密度作为设计变量,约束为加强筋质量上限,所用寻优算法为移动渐近线(MMA)系列算法中的MMA-GC-MMA混合算法。对结构的振动响应使用有限元方法求解,对声辐射使用边界元方法求解,并在此基础上分析了目标函数对设计变量的灵敏度。以加筋箱体为例进行优化,验证了所提方法在降噪设计中的可行性和有效性,并对结果进行了讨论。     

对两相材料薄板声功率及其灵敏度研究

采用有限元与声辐射模态相结合方法研究两相材料薄板声辐射声功率,并分析结构声功率关于设计参数的灵敏度。应用有限元方法来处理结构的振动环节,将位移向量用振型的线性组合表示,用振型叠加法求解模态坐标得到位移向量从而求出结构的速度分布;在声辐射环节,采用声辐射模态展开从而求得声功率。将薄板声功率对设计参数求偏导,得到声功率灵敏度。以四边简支两相材料薄板为例,着重对声功率关于板密度和厚度的灵敏度进行了研究。     

复杂结构体的声辐射模态远场计算方法

声辐射模态在主动结构声控制领域取得了满意的噪声控制效果,但缺乏有效简便的远场测量或计算方法已成为其进一步发展的瓶颈。基于远场封闭包络与结构表面辐射声功率相等,借助声传递矩阵的概念,将声辐射模态的求解转换到流体域进行求解,获得了一种通用的任意结构远场声辐射模态求解方法。为了验证方法的可行性,利用不同的场点包络形状、不同距离的场点以及不同的场点数目对其性能进行分析,主要包括结构辐射声功率、声辐射模态幅值、声辐射模态效率。利用获得的声辐射模态计算脉动球的辐射声功率,并与其理论解进行比较,计算结果显示不同的场点状态对辐射声功率的影响较小,所获取的声辐射模态和辐射效率具有较高的可信度。同时,本方法可为远场测量声辐射模态提供理论参考。     

雨滴冲击下薄板结构声振特性研究

为了研究降雨冲击船体结构所产生的振动和噪声对舱室乘客舒适性的影响，开展降雨模型冲击薄板结构的声振特性研究。单雨滴冲击外部结构所致声振分析是降雨冲击下声振特性研究的基础，因此，以薄板结构为目标对象，建立单雨滴冲击和连续雨滴冲击的载荷模型，利用Comsol软件研究薄板结构在雨滴冲击下声振耦合特性，分析雨滴参数和结构特征对辐射声功率影响。研究发现：雨滴大小对结构的声振特性影响显著；结构刚度对结构在雨滴连续冲击下产生的声功率级响应分布有明显影响；雨滴作用下结构的加筋类型与是否加筋对其产生的振动声辐射有显著影响，且选取合适的结构加筋方式有利于降低结构的振动声辐射；不同材质的薄板结构在雨滴冲击下的辐射声功率略有差异。研究结果对于预测舱室结构在降雨作用下产生的声能大小和对噪声进行控制具有参考价值。     

分层有限元模型下层合板声功率优化设计

基于遗传算法对层合板结构辐射声功率最小化进行铺设角优化;利用分层有限元模型求解层合板固有频率及振速分布;通过声辐射模态理论计算结构辐射声功率。以铺设角作为设计变量、辐射声功率作为优化变量,分别以某4层、8层层合板结构为例,研究不同频率时声功率最小化对应的优化铺设角。数值分析结果表明,在同一优化铺设角下,优化后第一阶声功率与辐射总声功率差别不大;对相同层合板结构而言,随频率增加声功率优化量增大;相同厚度下层合板铺设层越多声辐射功率优化量越小。     

水下加筋圆柱壳声辐射特性分析的改进精细传递矩阵法

基于Flügge壳体振动理论,将改进精细传递矩阵法应用于水下加筋柱壳声辐射问题的求解;通过应用加法定理和增量存储,改进非齐次项求解方法,构造了加筋圆柱壳的辐射噪声改进精细传递矩阵法。分析了边界条件、结构损耗因子、流体介质以及壳体厚度对加筋圆柱结构声辐射的影响。研究表明,当边界条件从自由、简支到刚固,结构对外辐射声压逐渐降低;随着结构损耗因子的增大,结构对外辐射声压大体上逐渐降低。     

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。     

基于声功率最小化的结构修正及其优化

研究了一种运用结构修改使振动结构表面辐射的声功率达到最小的优化设计方法,这种方法将结构动力学、声学和优化等学科综合为一体。结构在谐频外力作用下产生的声功率可,用集中参数和波叠加的方法计算,附加质量块用阻抗表示为外力,通过遗传算法找出对声功率最小有贡献的最优质量点的位置,使结构变为一个“弱辐射体”。     

Asymptotic bounds on the globally optimal positions of orthogonal stiffeners for rectangular plates in elastostatic bending

The present paper treats the problem of finding the asymptotic bounds for the globally optimal locations of orthogonal stiffeners minimizing the compliance of a rectangular plate in elastostatic bending. The essence of the paper is the utilization of a method of analysis of orthogonally stiffened rectangular plates first presented by Mazurkiewicz in 1962, and obtained herein in a closed form for several special cases. Asymptotic expansions of the expressions for the deflection field of a stiffened plate are used to derive limit-case globally optimal stiffening layouts for highly flexible and highly rigid stiffeners. A central result obtained in this work is an analytical proof of the fact that an array of flexible enough orthogonal stiffeners of any number, stiffening a simply-supported rectangular plate subjected to any lateral loading, is best to be put in the form of exactly two orthogonal stiffeners, one in each direction.     

Stacking sequence optimization to maximize the buckling load of blade-stiffened panels with strength constraints using the iterative fractal branch and bound method

Laminated carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites have widespread applications in aerospace structures, and thus optimization of the stacking sequences in these composites is indispensable. Here, a fractal branch and bound method (FBB) is proposed for optimizing the stacking sequences. This method requires only low computational costs, and an optimal result can be obtained rapidly by means of the deterministic process. For practical stacking sequence optimizations, more than two laminates have to be optimized, because a practical aerospace structural component usually comprises a panel and stiffeners made from composite laminates. Since the stacking sequences of the skin panel and stiffeners affect the buckling load of the stiffened panel, the optimization of both laminates must be performed simultaneously. In the present study, a new method to implement a strength constraint for the FBB method is proposed for the simultaneous optimization of more than two laminates (such as a panel and stiffeners). Moreover, a quadratic polynomial objective function, which includes lamination parameter variables of the two laminates: the stiffeners and the panel, is adopted. The strength constraint is implemented by means of a response surface. The new method is applied to the buckling load maximization of a blade-stiffened composite panel, in which the strength constraint is demonstrated as a feasibility study. The method successfully obtained optimal stacking sequences with the strength constraint at low computational cost.     

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。     

基于自适应成长原理的板壳结构加强筋分布设计技术

将自然界分枝系统形态自适应成长机理应用于板壳结构加强筋分布设计中,深入讨论板壳结构加强筋分布设计技术.应用ANSYS APDL二次开发语言进行编程,使提出的设计原理方便地应用于实际工程设计.整个应用程序包含前处理、优化迭代及后处理三个模块.前处理模块建立设计对象的基结构,基结构由基本板壳结构和初始加强筋组成.基本板壳结构可采用ANSYS中的建模模块创建或直接导入由其他CAE软件建立的几何模型,而初始加强筋由基本板壳结构上的节点连接而成的梁单元构成.优化迭代模块包含“选种”、灵敏度分析、分歧/成长/退化等功能.采用变量扰动法,基于ANSYS有限元分析模块计算活动加强筋的近似灵敏度.根据自然界分枝系统形态形成机理进行加强筋的分歧/成长/退化.最后由后处理模块输出设计结果.以若干典型的设计案例说明所提出方法的有效性,并通过与ANSYS的结构拓扑优化设计模块的设计结果比较说明了所提出方法的可行性．     

湍流边界层激励下加筋平板振声响应特性研究

船舶、汽车和飞机等高速运动时,其外壳受湍流边界层壁面脉动压力激励而产生的内场声辐射成为该类交通工具自噪声的重要成分。基于模态叠加法计算结构振动响应。采用湍流壁面脉动压力功率谱Corcos模型,计算了外侧气流或水流湍流边界层激励下简支平板振动及内场辐射声,计算值与解析解和试验值吻合良好,验证了算法的有效性。采用湍流壁面脉动压力功率谱改进型Corcos模型,研究了外侧水流湍流边界层激励下平板及板格的振声响应特性,结果表明:水流马赫数低,壁面脉动压力迁移波数大于平板结构弯曲波数,壁面脉动压力波数-频率谱的迁移脊对平板的激励作用可以忽略;横向或纵向加筋对板格振动速度自功率谱级基本无影响;减小板格宽度与长度之比,适当增大板格流向长度可使平板振动辐射声功率在2 000 Hz以上明显降低。     

Configuration design of a lightweight torpedo subjected to an underwater explosion

The response of a lightweight torpedo when subjected to an underwater explosion (UNDEX) is an important criterion for multidisciplinary design. This paper investigates the effect of structural stiffeners on the performance of a lightweight torpedo. The finite element package ABAQUS was used to model the UNDEX and the fluid–structure interaction (FSI) phenomena, which are critical for accurate evaluation of torpedo stress levels. The pressure wave resulting from an underwater explosion was modeled using similitude relations and it was assumed to be a spherical wave. Various explosive weights and explosion distances were explored to determine the critical distance both for an un-stiffened and a stiffened torpedo. Once it was established that the stiffened torpedo performed better under explosive pressure loads, various configurations were studied to determine the optimal number of ring and longitudinal stiffeners. A final configuration was obtained for the torpedo that had minimum weight and was least sensitive to small manufacturing variations in the dimensions of the stiffeners. This paper presents details of the torpedo and fluid models and the finite element analysis method for FSI.