用于声波调控的五模式超材料

五模式超材料由于具有各向异性的弹性模量,在声波调控和声隐身方面有重要的潜在应用,因此受到了国内外的广泛关注。本文从五模式超材料的基本概念出发,对布拉格散射型五模式超材料的声学性质、弹性及力学性质的研究进展进行详细介绍,进一步介绍了我们所研究的局域共振型五模式超材料的声学和弹性性质,并对五模式超材料的数值计算方法、加工制备和测试技术进行详细介绍。另外还对五模式超材料的目前尚未解决的科学及工程问题进行分析讨论。受到结构调控的局域共振型五模式超材料兼具各向异性弹性模量和局域共振型声子晶体低频完全声子禁带的特性,为低频声波减振降噪及低频声隐身带来新的设计思路。

     

一种基于局域共振的低频超宽带隙瓣状声学超材料

针对低频声波的衰减问题,设计了一种基于局域共振(Local Resonance,LR)机理的带瓣型结构的声学超材料,并运用COMSOL有限元软件MULTIPHYSICS 4.3计算分析了所设计的结构元胞带隙特性及其振动特性,研究表明,所设计的声学超材料比无瓣型声学超材料带隙更宽,并且仅用单层结构同种元胞组合就可以在一定频率下形成较宽的多个完全带隙,而不需要通过不同种元胞组合或是多层结构的复合而达到一定带隙特性。在此基础上,进一步对所设计的声学超材料的几何尺寸进行了优化。     

内嵌局域共振型散射体结构的低频吸声性能研究

建立了内嵌周期性局域共振型散射体的水下吸声结构模型,验证了轴对称结构分析有限元方法的正确性。讨论了截面形状、芯体材料以及包覆层厚度等参数对吸声性能的影响规律,结合吸声峰处的位移云图及能量耗散密度云图分析了参数的影响机理。仿真试验结果表明,吸声峰由散射体共振引起,且第一、第二吸声峰均与芯体和包覆层的共振密切相关。采用遗传优化算法对变截面柱型局域共振散射体吸声结构在研究频段内的吸声性能进行了优化。优化结果表明,变截面散射体在吸声峰处发生共振的同时能激发更多基体位移,促进纵波模式向横波模式转化,有助于能量耗散并提高吸声系数,为低频宽带吸声结构设计提供了新的思路。     

局域共振型空腔覆盖层的低频吸声机理及调控规律研究

声学覆盖层的低频吸声特性对潜艇声隐身性能具有重要影响.综合考虑空腔型覆盖层结构和局域共振型薄膜材料的低频吸声性能,建立局域共振型空腔覆盖层的有限元模型,研究复合结构在10 Hz～2000 Hz频段内的吸声特性,并采用局域共振理论和模态分析揭示复合结构的吸声机理,进一步得到复合结构低频吸声性能的调控规律.研究结果表明:(...     

两边支撑声学超材料板的低频宽带隔声性能研究

以电力变压器低频隔声为应用背景,提出了一种结构简单轻质的局域共振声学超材料板,它由在两边支撑框架上紧密粘贴高分子聚合物薄板制成,相比四边支撑超材料板,其具有更加优越的低频隔声能力。在声波垂直入射条件下,采用有限元仿真对其隔声特性进行研究,结果表明在248 Hz处出现了一个明显的隔声峰,隔声量达到了31 dB。为拓宽低频隔声频带,在超材料板上布置质量块,仿真结果表明在152~560 Hz范围内出现了三个密集的隔声峰,最高隔声量达26 dB,从而一定程度上实现宽频隔声效果;同时在120 Hz处出现了一个隔声量为18 dB的隔声峰。最后搭建了基于小型箱体的隔声实验平台,可以发现实验测试结果与仿真结果具有较好的一致性,从而验证了轻质声学超材料板良好的低频宽带隔声性能,说明了两边支撑声学超材料板具有广阔的工程化应用前景。     

一种局域共振型声学超材料的半解析建模与带隙机制研究

基于声学黑洞(acoustic black hole, ABH)弧形梁体积小且模态频率丰富的特点,将声学黑洞弧形梁作为附加结构周期分布在直梁上,达到促进局域共振效应和拓宽低频带隙的作用,由此构建一种新的局域共振型声学超材料。针对局域共振型超材料,采用高斯展开法,建立其半解析理论分析模型,基于零空间法处理其内部连接以及周期边界条件,并通过有限元法验证半解析理论分析模型的准确性。分析和计算其能带结构,研究结构参数以及ABH效应对布拉格带隙以及局域共振带隙的影响机理。研究结果表明,该半解析理论模型能够对结构的带隙进行有效计算,附加弧形ABH的陷波机制能够促进结构的局域共振效应并对主梁进行有效减振,为声学黑洞声学超材料的应用提供了新的思路。     

直升机舱室声学超材料壁板的低频隔声性能分析

在直升机飞行过程中,旋翼、尾桨等噪声源在舱室内产生强烈的低频噪声,严重影响直升机的驾乘舒适性,长时间的噪声暴露会危及驾驶安全。直升机舱室常用的夹层壁板结构可有效隔绝中、高频噪声,但其低频隔声性能一般较弱。为有效降低直升机舱室内低频噪声,将局域共振型声学超材料与舱室夹层壁板结合,建立直升机舱室声学超材料壁板模型,采用有限元法分析平面波入射激励下声学超材料壁板的低频隔声性能,并探索局域振子质量、层间结构对隔声性能的影响规律。结果表明:相比敷设阻尼材料、布置动力吸振器等传统舱内降噪方法,声学超材料壁板能有效隔离低频噪声,形成380 Hz~620 Hz的宽低频带隙。增加局域振子质量可有效拓宽带隙宽度并增强带隙内声透射损失,增加纵向加强筋数目可增强结构整体刚度,使振动衰减。声学超材料内饰的引入可为解决直升机舱室低频噪声问题提供技术路线。     

基于蝶形准零刚度弹簧的双梁超材料低频带隙研究EI北大核心CSCD

为降低居民区变压器的低频振动噪声并促使变压器环保达标,提出一种采用周期性配置蝶形准零刚度弹簧的双梁超材料,以期实现变压器本体减振降噪。通过建立蝶形准零刚度弹簧的静力学理论模型,推导了蝶形准零刚度弹簧的回复力-位移、刚度-位移解析表达式,分析了其在平衡位置处的准零刚度特性,并采用有限元仿真验证了蝶形准零刚度弹簧的力学性能;以此为基础,基于欧拉-伯努利梁理论建立了由蝶形准零刚度弹簧周期性耦合硅钢片梁和硬铝合金梁构成的双梁超材料的元胞动力学模型,结合连续边界条件和周期性Bloch定理推导了双梁超材料的弯曲振动色散关系,研究了其低频带隙形成机理,仿真分析了双梁超材料的低频带隙特性。结果表明,通过蝶形准零刚度弹簧周期性弹性耦合硅钢片梁与硬铝合金梁形成的双梁超材料可产生应用于变压器铁芯硅钢片低频振动噪声高效抑制的低频带隙,且该低频带隙由布拉格散射-局域共振混合机制产生,为变压器低频振动噪声控制提供了一种崭新的思路。     

三维均匀化方法预测编织复合材料等效弹性模量

本文将基于小参数渐近展开和摄动方法的均匀化理论与有限元方法结合起来应用于三维编织复合材料弹性本构的数值模拟。通过对三维编织结构等效模量的数值计算 ,结果表明本文的方法可得到较为准确的等效模量 ,并较其它解法大大降低了计算量。     

齿轮箱结构噪声预测

从齿轮传动系统的动力学仿真出发,利用有限元分析求解齿轮箱的动态响应,将响应结果作为边界条件,由边界元方法对齿轮箱结构噪声进行预测,同时对齿轮箱辐射噪声进行了声强测试,并与预测结果进行比较。结果表明,该方法能够有效预测齿轮箱结构噪声的声学特性,为齿轮箱的噪声控制与结构优化提供了可靠的依据。     

整车NVH结构噪声子系统设计方法研究

提出一种研发初期中频室内结构噪声设计方法,根据数字“骡子样车”和参考样车模型有限元仿真结果,确定主要传递路径的结构噪声根源并设置相应子系统NVH性能目标,通过子系统性能的提高实现整车目标。最后通过动力总成结构噪声设计实例验证了子系统设计方法的有效性。     

《扩张室式消声器声学特性的有限元分析》

应用有限元法分析进出口管同轴扩张室式消声器的声学性能,计算其传递损失并与一维平面波理论计算对比,分析一维平面波理论的适用范围。通过分析出口管偏置消声器,双出口管消声器和两腔消声器的声学性能表明：出口管位置和数量影响消声器中高频消声性能,而两腔消声器则能明显改善消声器中低频的消声效果。     

两相复合介质内部电场及宏观介电常数的三维模拟

建立三维模型,用蒙特卡洛有限元法对两相复合介质的内部电场分布进行模拟,并由此计算出介质的宏观介电常数εm.发现由三维模型计算出的低介相中的电场能量占总能量的比例高于二维模型.三维模型符合实际复合介质中微粒间并联程度大于串联程度的事实,因此由三维模型得出的电场分布和ε_m值比二维模型更加精确.得出了新的两相复合介质宏观介电常数预测公式:ε^α_m=V₁ε^α₁+V₂ε^α₂,其中α=(V₁²+20V₁V₂+5V₂²)/11,V₁+V₂=1,ε₁<ε₂.该公式与若干文献中的实验结果相吻合.     

梯度复合材料热应力影响因素正交有限元分析

为了分析梯度层厚度、梯度层组成相体积分数及组成相长径比三种因素对热应力的影响,建立了梯度复合材料的物理模型,并采用有限元分析方法计算了该模型冷却至室温的热应力,同时使用正交设计对各因素的重要程度进行了数量估计。结果表明:三种因素中梯度层厚度对热应力的影响最为显著,次之为组成相体积分数,而长径比的影响较小。     

均匀流直通穿孔管消声器声学特性预测的有限元法

将有限元法应用于预测有均匀流存在时直通穿孔管消声器的声学特性,推导了考虑运流效应的有限元法计算公式,并给出了声学特性的计算方法和数值实施过程。传递损失数值计算结果表明,随着气流马赫数的增加,消声器中高频的消声量有所增加。为精确预测直通穿孔管消声器的声学特性,流速对消声器内声传播的影响应加以考虑。     

车身阻尼处理降噪的有限元分析

在车身顶棚内蒙皮表面进行阻尼处理,建立阻尼处理后的车身有限元模型。进行模态分析,振动响应分析,并将车身与车内声腔模型进行声固耦合计算。计算结果和阻尼处理前的声压级比较,证明车身表面阻尼处理能够有效降低乘坐室内噪声。     

纤维增强复合材料身管阻尼特性分析

针对火炮发射时纤维增强复合材料身管的阻尼效应,根据粘弹性材料动态特性,给出了纤维增强复合材料能量耗散公式,采用基于有限元技术的模态应变能分析方法,对某口径复合材料身管进行了阻尼特性分析,获得了该复合材料身管在各阶固有频率下的应变能和阻尼损耗因子,为复合材料身管的动态特性分析提供了阻尼特性参数.     

复合材料旋转壳稳定性有限元分析和横向剪切变形的影响分析

对复合材料旋转壳的失稳问题进行了有限元推导, 建立了考虑横向剪切变形的旋转壳稳定性分析模型。在应变向量阵中引入了横向剪切应变, 从而考虑了剪切的影响。为了避免剪切自锁, 刚度的计算采用一点高斯积分法, 几何刚度的推导采用Stricklin 法。最终将稳定性问题归结为特征值问题。数值算例表明, 对于各向同性和复合材料旋转壳, 横向剪切变形均使其临界载荷降低。在稳定性分析中, 横向剪切变形对各向同性材料旋转壳的影响较小, 对复合材料的影响较大。