力激励与声激励作用下圆柱壳声振性能试验

以单、双层环肋圆柱壳为对象,通过模型试验分析圆柱壳内部介质与壳体的耦合对壳体声振性能的影响,进而对比分析力激励与声激励下,壳体振动与声辐射的关系以及单、双壳的声振性能.结果表明:当圆柱壳内部介质为空气时,声激励作用下声腔模态与结构模态耦合与否对壳体振动以及内部声场的影响很小;当壳体受力激励作用时,外场声辐射与壳体结构模态有关,当壳体受声激励作用时,外场声辐射与壳体结构模态、声腔模态有关;双壳的外壳对力激励和声激励时的振动与声辐射均起到屏蔽作用.     

外壳与肋对双层回转壳体的振动声辐射影响

本文以圆柱壳体为例讨论了回转壳体单双层壳体结构在流场中振动声辐射的数值计算方法,并建立了其有限元和边界元分析模型。先利用有限元软件ANSYS计算水下航行器结构和外部流体介质的耦合振动,得到耦合振动的节点位移响应值。再将数据导入边界元软件SYSNOISE计算了流体结构耦合状态下壳体结构的辐射声功率和辐射效率等声学量。借助这两个软件计算得出壳体在流场中的振动声辐射特性,分析了外壳与肋对双层回转壳体振动声辐射的影响。本文分析计算了不同形状壳体结构在单点简谐激振力作用下产生的结构振动和声辐射特性。通过比对单双层壳体结构以及改变双壳结构外壳、肋骨厚度情况的振动声辐射特性,综合分析后得出外壳与肋对双层壳体结构水下辐射声的影响。     

基于辐射噪声线谱削峰的双层加肋圆柱壳结构声学设计

为降低水下航行器辐射噪声线谱,提出了一种弱辐射双层加肋圆柱壳结构. 采用机械阻抗理论分析了环肋圆柱壳模态响应幅值控制机理;引入圆截面内运动假设,利用模态展开法推导了环肋径向机械阻抗表达式;基于阻抗失配、波形转换原理,设计了阻抗加强环肋模型,并利用波动理论分析了其隔振性能;考虑壳间托板的强耦合作用,对托板进行了阻波设计. 将阻抗增强肋骨和复合阻波托板联合应用到双层壳结构声学设计中,数值分析了设计前后双层壳振动与声辐射性能. 结果表明:提出的新型双层加肋圆柱壳能有效实现辐射噪声线谱削峰,振动均方速度、辐射声功率和辐射声压大幅降低,具有显著的减振降噪效果.      

含黏弹性夹层托板的减振降噪性能分析

为降低托板连接双层圆柱壳振动与辐射噪声,采用波动理论分析了含黏弹性夹层板振动波传递特性;基于阻抗失配原理,将黏弹性夹层板引入到双层壳托板结构中,并利用有限元和边界元法数值分析了新型托板结构减振降噪性能,讨论了托板夹层黏弹性参数变化对双层壳振动声辐射性能的影响.结果表明:含黏弹性夹层的板结构对振动波具有较强的阻抑作用;采用黏弹性夹层托板能有效降低双层壳振动声辐射性能,辐射声功率较普通托板连接平均降低约9.4dB.     

强耦合声振薄板结构的降噪阻尼层优化

研究了平稳激励下附加阻尼层薄板结构的声辐射优化问题.考虑了声介质与薄板间的耦合作用和位移约束弹簧边界,建立了含弹性边界的有限元/边界元声振强耦合模型.在优化设计问题中,将声功率和声压转化为以结构位移为变量的表达形式,提出声功率和声压灵敏度的直接求解方法;根据薄板厚度与质量和刚度矩阵的关系推导并建立了以阻尼层相对厚度为设计变量的人工阻尼材料模型,讨论了强弱耦合模式、弹性边界条件、激励频率和阻尼系数对优化设计的影响,数值优化算例证明了所提方法的有效性.     

声吸收边界附近圆柱壳自振特性分析

结合波传播法和虚源法,提出了分析声吸收边界附近圆柱壳的固有振动特性的解析方法,并考虑了声吸收边界的影响.通过与有限元仿真方法进行对比分析,验证了方法的有效性.数值计算表明:与无限域中圆柱壳固有振动特性相比较,当圆柱壳靠近声吸收边界时,圆柱壳模态频率将明显减小;声吸收边界对圆柱壳模态频率特性的影响随着壳体与边界之间距离的增大而逐渐减小,当壳体与边界之间间距大于5倍半径时,声吸收边界的影响可以忽略.此外,当圆柱壳靠近声吸收边界时,边界的声反射系数对耦合系统模态频率特性有显著影响.     

受弹性约束的双层圆柱壳的振动分析

本文采用传递矩阵法对受弹性约束的双层圆柱壳进行自由振动和稳态响应研究,并运用复阻尼理论分析材料内阻尼对结构响应的影响。本文所用的分析方法对于承受各种荷载作用而只有任意齐次边界条件的圆柱壳结构都能适用,并可应用于求解多层圆柱壳的振动问题。     

圆柱壳水中平面振动和声辐射的导纳法研究

目的探索水下结构振动声辐射问题的导纳法求解。方法从无限长圆柱壳的振动方程出发,利用流体和圆柱壳分界面上振速连续边界条件,推导出了圆柱壳在母线方向均匀分布的径向线力激励下,平面振动声辐射效率以及辐射声场的模态导纳表达式。数值求解了辐射效率和模态导纳随频率的变化关系以及辐射声场指向性。结果①在n<5情况下圆柱壳平面振动模态辐射导纳的实部随频率变化明显;当n从5变到50过程中,模态辐射导纳的实部随频率变化出现振荡现象。圆柱壳平面振动模态辐射导纳的虚部为负,且绝对值随n增大而增大。②圆柱壳在φ=0处受沿母线方向均匀分布的简谐(f=10~1 010Hz)线力激励时,水中辐射声场的指向性(r=10a)介于“∞”型和“∞”和“8”叠加的形状之间。结论导纳方法对于求解水下规则结构声辐射问题是可行的。     

含局部预应力的圆柱壳结构声辐射特性分析

以圆柱壳结构-声辐射特性为研究对象,分析了局部预应力对结构动力学特性的影响.基于Flügge圆柱壳薄壳理论,建立了含局部预应力的圆柱壳结构应力-应变方程,应用变分原理推导了含局部预应力的圆柱壳结构动力响应方程.结合结构有限元和声边界元法,对圆柱壳结构的声辐射问题进行数值分析,对比了预应力对声辐射功率和声指向性的影响.结果表明,由于局部预应力的存在,使得结构的局部和总体刚度都发生变化,并引起结构声振特性的变化.     

约束态薄壁圆柱壳固有频率的精确测试

采用传递矩阵法和有限元法对约束态圆柱壳固有特性进行计算以明确振动特点;详细分析了约束态圆柱壳固有频率测试的影响因素,并提出通过力矩扳手定量确定边界约束条件、合理选择激励信号类型、采用加窗和多次平均处理等解决措施.最后,搭建了4种不同激励形式(锤击、电磁激振器、压电陶瓷、振动台激振)的测试系统对其固有频率进行了试验研究,提出了约束态下薄壁圆柱壳固有频率的测试流程.研究表明:振动台基础激励方法对约束态薄壁圆柱壳没有任何附加质量和刚度的影响,测试状态即为圆柱壳真实的受力状态.使用该激励方法并配合激光测振仪进行固有频率测试的精度最高.     

水下结构声主动控制压电传感器/作动器布置研究

研究了板水下声辐射主动控制时压电传感器/作动器的布置问题.基于声振耦合理论,在低于临界频率情况下对结构模态和声极子的相互关系做了深入的分析,建立了板波数和辐射声功率间的关系,并据此提出了模态抑制和模态重组方法相结合的压电片布置方案.结合有限元/边界元数值计算方法,对所提出的压电片布置方案进行了结构辐射声功率控制的定量计算.与应变理论和角落单极子理论相比,基于声振耦合理论的压电片布置方案在高频段给出了更好的辐射声功率控制效果,同时所需要的控制作动电压相对大幅下降.     

充液双层壳的振动与声辐射计算

对某充液双层壳的结构振动和声辐射特性进行了研究.运用MSC/PATRAN建立结构的有限元模型,在MSC/NASTRAN平台上,考虑流固耦合效应,对水下双层壳结构进行频率响应分析,得出可用于声学分析的数据文件.再利用边界元软件SYSNOISE,导入上述结果文件作为边界条件,对双层壳结构进行声辐射数值分析.实例研究证明双层壳之间的不同肋骨设置对壳体的振动特性和结构声辐射的影响较开孔的数目影响大.     

多类振动噪声源下舰船水下噪声的耦合声场计算方法

针对具有DTMB 5415船型的某护卫舰,提出水动力、机械和螺旋桨等3类典型振动噪声源共同作用下舰船低中频水下噪声的耦合声场计算方法.基于URANS方法采用SST k-ω湍流模型,数值模拟了该舰在某航速下的非定常流场,并将其作为该舰的水动力噪声源;以某型螺旋桨的脉动压力与实测噪声数据作为机械振动源和螺旋桨噪声源.建立了该舰结构有限元-流体声学间接边界元(FEM-IBEM)声振耦合计算模型,以船体结构前40 000阶干模态作为声振耦合求解声学响应的模态基,计算了该舰在上述3类噪声源共同作用下0～500 Hz水下辐射声功率级,分析了各类噪声源辐射噪声的指向特性和频谱特性.比较了工程中常用的各噪声源辐射声级直接线性叠加方法与耦合声场计算方法的差异.研究表明,耦合声场计算方法的计算效率和精度更高,是多类振动噪声源激励下舰船低中频水下辐射噪声预报的优选数值计算方法.     

托板式双层加筋平板的水下声辐射

采用周期结构理论表达不均匀构件反作用力，运用双向傅氏变换和逆变换求解了托板式层加筋平板的水下声辐射耦合方程，利用稳相法近似得到远场辐射声压，托板式双层加筋平板的复杂性在于连接的间断，利用Dirac-δ函数的性质克服了这个难点，采用建立的计算方法，研究了托板刚度及其间距对水下声辐射的影响，计算表明托板刚度对水下声辐射的影响不明显，而托板间距对水下声辐射影响很大。     

低频桨-轴-壳体耦合振动声辐射机理研究

为揭示低频桨-轴-壳体水下结构耦合振动声辐射机理,利用三维水弹性力学理论和三维水弹性声学分析软件,从螺旋桨、推进轴系以及壳体结构传递特性出发,分析了各结构低频段模态频率与桨-轴-壳体耦合结构响应频率之间的相关关系,由此提出了桨-轴-壳体结构纵向和横向耦合振动声辐射峰值对应的优势模态。研究表明:螺旋桨桨叶对桨-轴系统的振动影响比较大,尤其是螺旋桨的全桨叶同向伞型弯曲振动对桨-轴-壳体的纵向振动声辐射贡献明显;桨-轴-壳体耦合系统的纵向声辐射声源级曲线峰值主要对应于壳体一阶纵向振动、桨-轴系统一阶纵向振动、壳体二阶纵向振动和螺旋桨全桨叶同向伞型弯曲振动,横向振动声辐射声源级曲线峰值主要对应于壳体弯曲振动及桨-轴系统弯曲振动;低频段螺旋桨纵向单位力引起的声辐射明显大于横向力作用下的声辐射。     

有限长环肋圆柱壳低阶模态声辐射性能分析

采用Fl櫣gge壳体理论描述圆柱壳体的振动,将环肋对壳体的加强作用,等价为作用在壳体上的支持力.利用流场Helmholtz方程及流场与圆柱壳体的耦合条件推导出声—流场—结构的耦合振动方程,然后采用相应的求解方法,对环肋圆柱壳低阶模态声辐射性能进行了分析,讨论了不同的轴向和周向低阶模态对声辐射性能包括辐射声功率级、径向均方速度级的贡献大小.为主动控制方法降低环肋圆柱壳的振动噪声,提供了理论依据.     

环肋对两端带半球帽圆柱壳声振特性的影响

为了研究加环肋轴对称壳的声振特性,建立了计算两端带半球帽圆柱壳水中声辐射的有限元与边界元三维模型,分析了加肋高度、宽度、数量对轴对称壳表面平均振动速度、辐射功率、辐射效率、激励点法向声强、声场指向性的影响.应用有限元软件Ansys建模及模态分析方法,将数据导入边界元软件Sysnoise中计算,从而分析结构耦合状态下的辐射声场特性.结果表明,随着环肋高度、宽度及数量的增大,激励点法向声强、表面平均振动速度以及辐射效率和辐射声功率随频率变化曲线的峰彼此错开;环肋高度、宽度、数量增大时激励点法向声强以及辐射声功率均有增加,表面平均振动速度减小,因而导致声辐射效率增加;在0~800Hz频率范围内,环肋高度和宽度变化对声场指向性影响差别较小.     

基于设计灵敏度分析的圆柱壳声辐射优化

采用有限元法计算结构振动,边界元法求解结构振动引起的辐射声场问题.在此基础上提出了圆柱壳结构声辐射优化模型,重点推导了结构振动声辐射灵敏度计算公式.优化模型中,声辐射功率作为目标函数,约束函数中不仅有内部场点平均声压作为声场设计指标,而且包含了质量和自振频率的结构设计指标,圆柱壳的厚度作为设计变量.通过与用差分法计算的...     

黏性流场中圆柱壳结构的振动能量流输入特性

以周向分布线力作用下,浸没在黏性流场中的无限长弹性薄圆柱壳为研究对象,分析流体黏性对黏性流场-圆柱壳耦合系统的振动能量流输入的影响规律,考虑周向分布线力作用下,薄圆柱壳壳体与由有黏、可压缩流体组成的流场之间的相互作用.首先采用Flügge薄壳理论分析壳体结构振动,然后把线性化的连续性方程、线性处理后的纳维-斯托克斯方程和小振幅波动下的状态方程结合起来得到了黏性流场中的声波波动方程,进而根据声场与圆柱壳外表面的运动协调条件推导得到耦合系统的声振耦合方程,提出了相应的数值计算方法,并与理想流体中的特性作了对比,研究了流体黏性对黏性流场-圆柱壳耦合系统的振动能量流输入的影响规律,为水下结构的减震降噪提供理论依据.     

流场中壳间充液双层壳体声辐射性能研究

对双层壳体（壳间充满流体的同轴圆柱壳）的声辐射进行了研究．基于Ｆｌüｇｇｅ壳体理论和Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ波动方程计算了有限长双层壳体在径向点激励下的声功率和振动速度级,讨论了双层壳体固有振动特性,比较了双层壳体与单层壳体声辐射特性．