有限潜深状态下圆柱壳固有振动特性分析

基于波传播法和虚源法,建立有限潜深状态下圆柱壳-声场耦合数学模型,并考虑了自由液面和流体静压的影响。采用数值方法求解耦合系统特征方程,得到了有限潜深状态下圆柱壳的模态频率。数值分析表明:较无限域中圆柱壳模态频率特性而言,自由液面的存在致使结构模态频率相应增大,而流体静压则使得结构模态频率相应减小;当潜深较小时,自由液面的影响相对较显著,而当潜深较大时,流体静压的影响相对较显著;流体静压对有限潜深状态下圆柱壳各阶模态频率特性的影响程度不尽相同,从而导致在一定潜深条件下,圆柱壳模态频率阶次出现变化;当潜深较大时,圆柱壳面临失稳。     

近水面状态有限长圆柱壳受迫振动的输入功率流和声辐射特性

基于声固耦合模型,采用波传播方法分析近水面状态有限长圆柱壳受迫振动的输入功率流和声辐射特性,并考虑了自由液面的影响。通过与有限元仿真结果进行对比分析,验证了该方法的正确性。当圆柱壳接近自由液面时,自由液面的存在致使水下圆柱壳输入功率流和声辐射特性的峰值频率向高频偏移,且响应幅值也略有增大。随着潜深的增大,自由液面对圆柱壳输入功率流特性的影响逐渐减小。当潜深大于5倍半径时,自由液面对耦合系统输入功率流的影响可以忽略,但其对耦合系统声辐射特性的影响不可忽略。     

冰区环境下圆柱壳声振特性的数值分析

建立了圆柱壳-水-冰的声固耦合系统的数值模型。采用有限元法和边界元法分别建立了圆柱壳结构模型、流体声学模型、冰介质弹性体模型,并进行了振动和水下声辐射计算,将无冰情况下的圆柱壳水下声辐射数值计算结果与模型试验进行对比,验证了数值算法的有效性;在此基础上分析了潜深状态和冰层参数对圆柱壳声振特性的影响规律。结果表明:圆柱壳全浸状态下,冰层对结构的振动影响很小,对声辐射影响较大;圆柱壳与冰层接触时,冰层参数和潜浮状态对振动和声辐射特性影响很大;低频段时声指向性变化不明显,随着频率的增加在高频段时声指向性变得更为复杂;为研究极地冰区环境下的潜艇声振特性提供了一种途径。     

计及自由液面影响的水下有限深度圆柱壳自由振动分析

提出了一种求解有限浸没深度下圆柱壳振动特性的解析方法。采用镜像原理和Graf加法定理得到流体速度势的解析表达式,然后再结合能量泛函变分方法推导出计及自由液面影响的壳-液耦合振动方程,通过求解该方程,得到结构各阶固有频率。研究表明,相比于无限域,自由液面的存在会增大同阶次模态固有频率,而且离自由液面越近,固有频率越大,但是随着浸没深度逐渐增加,自由振动特性很快趋近于无限域。与有限元软件Nastran计算结果对比表明该方法准确、可靠、简便,且具有计算量小、易于参数优化的优点,也为近水面结构流固耦合振动特性分析提供了新的思路。     

弹性介质中充液圆柱壳的轴对称振动分析

从理论上分析了各向同性弹性介质中有限长充液圆柱壳的自由振动特性。利用经典FLUGGE壳体运动方程,结合弹性动力学方程,得到了弹性介质中充液圆柱壳耦合系统的特征方程。利用数值方法得到了弹性介质中圆柱壳中空和充液时的实固有频率。计算结果表明弹性介质中圆柱壳的实固有频率比真空中圆柱壳的实固有频率高,而且存在截止轴向模态。弹性介质刚度不仅对充液圆柱壳的实固有频率影响显著,而且影响其截止轴向模态。     

水中结构振动时声学相似性的数值验证

摘 要：以声学相似性原理为基础,用因次理论得到了在相似准数相等条件下的无因次系数,给出了模型和原型声学相似的条件。采用结构有限元耦合流体边界元方法计算水下相似加肋圆柱壳模型的流固耦合振动和声辐射。数值计算表明在相似条件下几何相似模型的壳体振动声学传递函数及其谱峰频率满足相似性,水下的模态、流固耦合振动响应以及声辐射均满足相似关系,并且与理论结果能够符合。     

水下复杂应力结构的固有频率研究

研究水下结构物的复杂应力状态对结构固有频率的影响,克服以往研究中只考虑整体均匀分布应力的局限性。水下结构因外部环境特殊常常处于复杂应力状态,复杂应力与流固耦合的共同作用使结构的固有频率求解变为一个耦合非线性特征值问题,以往求解流固耦合的方法不再适用于此类问题。有限元方法也能处理此类问题,但存在处理过程复杂、计算量大、不能明确说明结构应力与动力特性之间的本质物理联系等缺点。针对该问题用理论方法进行了分析,首先基于Flügge壳体理论、考虑流固耦合作用、利用特定模态之间的正交性建立复杂应力结构自由运动方程,然后采用多项式近似结合二次型矩阵线性化的方法对此类结构的固有频率进行求解。在数值算例中,计算了某水下圆柱壳的固有频率,并对比和分析了不同类型的复杂应力对于水下结构固有频率的影响特点。     

带有弹簧-质量-圆柱壳耦合结构自由振动分析

采用子结构导纳法研究了简支边界条件下带有多根弹簧-集中质量-圆柱壳耦合结构的自由振动。根据已有结果,通过求解多根弹簧等效刚度的推导思路,采用柔度法得到各子结构矩阵元素的柔度系数,进而求得集中质量带有多根弹簧的圆柱壳耦合结构自振频率及模态理论公式,并与已有文献结果作对比,证明了本文理论推导的正确性。应用本文理论方法进一步求解了集中质量带有三根弹簧圆柱壳耦合结构的自振频率及振型,并与建立的ANSYS有限元模型分析结果作对比,二者结果误差很小,可以忽略,再次验证本文理论的合理性及正确性。     

水下爆炸气泡与浮体结构相互作用的研究

基于势流理论,利用三维边界积分法模拟水下爆炸气泡与其附近浮体之间的相互作用,同时考虑到自由液面对气泡特性的影响。该数值计算结果与电火花气泡实验结果吻合良好,验证了该数值方法的有效性;通过爆点与自由液面的距离,爆点与结构的距离,结构的运动响应三个方面来研究近自由面时,气泡、浮体结构和自由液面之间的耦合特征。尤其关注它们对气泡动力特性,结构上的压力载荷以及自由液面升高等方面的影响。     

分析小型水下圆柱壳结构冲击响应的一种近似方法

根据小型水下圆柱壳状结构受爆炸冲击后散射现象严重的特点，提出了一种新的冲击加速度的近似计算方法。首先把带加强筋的柱壳结构简化为光滑柱壳，并将冲击波分解为不同频率谐和平面波的迭加，然后，采用耦合模态法分析了受爆炸冲击水下圆柱壳状结构周围的散射场，求出了圆柱壳水下结构的表面接收压力，进而分析其受到爆炸冲击后的冲击加速度，并研究了结构的弹性变形、材料特性对冲击加速度响应的影响。工程应用实例的分析结果表明，该方法具有物理概念清晰，运用方便，准确高度的特点，可适用于分析小型水下圆柱壳状结构受到冲击加速度响应。     

充液环肋圆柱壳耦合振动的波动解

研究了充液环肋圆柱壳结构的耦合振动特性。基于Love壳体理论,考虑壳体内部完全充液,采用波动法建立充液环肋圆柱壳耦合振动的频率特征方程,得到了不同边界条件下的耦合频率值。通过与已有文献数据对比,验证了该文研究方法的有效性和正确性。最后通过算例,分析了充液因素、环肋参数、边界条件、壳体几何参数等对充液环肋圆柱壳耦合振动的影响。     

基于Donnell-Mushtari理论的弹性基础薄壁圆柱壳的稳态响应研究

基于经典的Donnell-Mushtari柱壳理论,针对弹性基础上有径向预压力作用的薄壁圆柱壳的自由振动频率给出了相应的精确解,采用该方法计算得到的结果与有关文献中的数据一致,误差较小。基于该方法得到薄壁圆柱壳的自由振动频率及其对应模态振型后,进一步推导得到了弹性基础上薄壁圆柱壳的强迫振动稳态响应的计算公式。并在此基础上考察了所取基础模态数量及阻尼系数大小对于薄壁圆柱壳稳态响应的影响。算例所得计算结果及结论可为工程应用提供一定参考。     

水下爆炸载荷作用下加肋圆柱壳应变响应研究

采用加肋圆柱壳结构模型模拟潜艇结构,对其在水下爆炸冲击载荷作用下的响应过程进行试验研究。结果表明:采用应变测量的方法对结构进行模态分析是可行的;受附连水质量的影响,加肋圆柱壳结构的低阶湿模态频率较干模态频率显著下降;在爆炸载荷作用下,距离爆炸点越近结构承受的冲击作用越严重,越容易产生塑性破坏;应变的最大响应是冲击波载荷和一次脉动压力载荷共同作用的结果,第二次脉动压力对结构的动态应变响应贡献不明显。     

舱段结构流固耦合声振特性的模态叠加法研究

圆柱壳加筋结构是水下航行器的主要组成部分,研究复杂柱壳结构的水下振动与声辐射特性具有十分重要的意义.本文以双层加筋圆柱壳舱段为研究对象,考虑舱段外和双层壳体内流体与结构的耦合作用,利用有限元法得到舱段结构的干模态,再利用直接边界元方法得到舱段结构的湿模态,采用模态叠加法研究舱段的流固耦合振动与声辐射特性.文中还比较了不同筋板结构形式和内外壳体内流体耦合作用前后舱段的声辐射特性,分析内外流场对舱段结构噪声辐射的影响规律.     

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。     

基于波传播方法的边界条件对圆柱壳振动特性的影响分析

在波传播分析方法基础上,采用一种改进傅立叶级数的方法建立了弹性约束边界条件下圆柱壳结构模态分析模型,结合模态叠加理论,给出了圆柱壳结构在任意径向点力激励下的振动响应.通过与商业分析软件ANSYS的结果比较验证了本文方法的高效性与精确性,随后详细分析了边界约束刚度对圆柱壳结构自由振动特性和结构振动响应的影响,并给出了刚度影响的一般性规律.     

圆柱贮液器固液耦合模态分析

本文用半解析有限元分析了弹性圆柱贮液器液─固耦合系统的模态特性,进行了贮液器的模态实验。将实验测出的贮液器在不同液高时的耦合振动模态与理论分析结果进行了比较,验证了计算结果的可信性。计算与实验均表明,贮液器内液深对壳体结构的动力特性有很大的影响,贮液器内液体质量越多,壳体结构的耦合振动频率越低。     

层合薄壁圆柱壳1:1内共振研究

针对一端固定,一端自由的层合薄壁圆柱壳模型,根据Donnell’s非线性简化壳理论建立其非线性振动方程。采用Galerkin方法对非线性振动方程进行离散化,应用平均法对系统包含两个相邻轴向模态的非线性振动响应进行了解析分析,与数值模拟进行了比较,并得到了不同参数对层合薄壁圆柱壳复杂的振动响应的影响。结果表明,1）由于所选的两个相邻轴向模态频率相距较近,能量在两个模态之间相互传递,系统存在1:1内共振现象;2）系统复杂的振动响应受激振力大小和非线性项的影响比较大,而对于阻尼不敏感。     

利用耦合系统自由振动响应识别结构被控模态和TMD参数

准确从安装TMD后的结构-TMD耦合系统中识别结构被控模态和TMD参数是TMD现场调试的必需条件。针对TMD现场调试中参数识别问题,提出了一种通过结构-TMD耦合系统自由振动试验识别结构被控模态的模态质量、频率和阻尼比以及TMD频率和阻尼比的方法。该方法首先采用随机子空间算法评估耦合系统的离散状态空间模型,然后将其减缩和转化为结构被控模态和TMD耦合的两自由系统连续状态空间模型;最后,利用连续状态矩阵,识别结构被控模态的模态质量、频率和阻尼比以及TMD频率和阻尼比。数值分析研究结果表明:1)该方法抗噪能力强;2)TMD与原结构各模态耦合越强,质量比识别结果误差越大,其他参数识别结果均满足工程要求。通过单层框架结构试验研究,验证了该方法的可行性。     

热环境对功能梯度薄壁圆柱壳模态频率的影响

以热环境对金属陶瓷功能梯度薄壁圆柱壳模态频率的影响为研究对象,首先在描述功能梯度薄壁圆柱壳模型和四种典型的热环境模型的基础上,通过Love 薄壳理论得到了薄壁圆柱壳的应变能和动能,运用Rayleigh-Ritz 法推导圆柱壳的模态频率方程。然后分别以镍金属圆柱壳和镍钢功能梯度材料圆柱壳为对象,验证模态频率方程的合理性。最后分析不同温度场对金属陶瓷功能梯度薄壁圆柱壳环向振动和轴向振动模态频率的影响。结果表明：随着温度的升高,金属陶瓷功能梯度薄壁圆柱壳的模态频率逐渐下降,均匀温度场下模态频率下降速率最快,其次是线性温度场和非线性温度场,热流温度场对模态频率的影响几乎可以忽略;热环境只影响模态频率的大小,不影响模态频率随波数的变化趋势。