输流管道动力有限元建模及实验研究

在输流管道系统中由结构-流体相互耦合作用导致的管道振动对工业生产的安全性、经济性具有重要影响。工程中常用有限元中的管单元建立管道动力学模型,用附加质量法或顺序耦合方法进行输流管道系统的动力学分析,这种建模和分析方法可能会造成管道中结构-流体相互耦合效应的缺失。本文搭建了输流管道系统的实验平台,分别在管道无水和充水两种状态下进行管道系统模态实验,并将实验结果分别与所建立的无水管道有限元模型和充水管道流固耦合模型分析结果进行了对比,验证了壳单元及实体单元管道动力学模型的合理性。通过实验和数值分析研究其动力特性发现：壳单元动力学模型更合理准确,管道系统由于流固耦合作用的影响产生了新的振动形态;附加质量法分析结果缺失了系统的某些低阶模态,表明了输流管道系统流固直接耦合动力学建模的必要性。     

复合环境下直升机旋翼动力特性分析

考虑直升机旋翼旋转时声场、应力刚化、几何大变形等复合运行环境,对多种影响因素下的旋翼动力特性进行研究。通过实验测试数据建立了直升机旋翼结构的动力有限元模型,对旋翼在静止、应力刚化影响下的动力特性进行了分析;建立旋翼声振耦合动力学模型,考虑外声场和旋翼几何非线性影响因素,深入研究旋翼动力特性的变化规律,分析了其内在机理。研究分析发现:考虑声场影响后结构前三阶的固有频率误差分别减小了0.46%、0.82%、0.45%,更接近实验值,旋翼桨叶的振幅峰值明显降低;应力刚化对旋翼模态影响较大,随着其转速的增加固有频率呈二次曲线上升趋势;几何非线性使旋翼的共振频率值略微增大、振幅极值减小。     

裂纹损伤对塔壳结构动态特性的影响研究

基于数值方法研究裂纹损伤对塔式壳体结构动态特性的影响。建立了等截面直立塔壳结构有限元模型,采用刚度下降法模拟不同程度受损单元,计算了无损和不同损伤工况下(耳式支座与塔体角焊缝处环向裂纹损伤),结构的固有振动特性和脉动风载荷作用下结构的动态响应。结果表明:结构振动信号可以反映塔壳结构局部不同程度损伤的影响,裂纹损伤对固有频率影响较小,最大20%损伤对固有频率的减小约为7%~8%;对模态振型影响较大,尤其在高阶(如15阶频率)上可能出现新的振型;对位移响应、动应力影响最为明显。     

任意边界条件下环肋圆柱壳振动特性的建模与求解

边界条件对环肋圆柱壳的振动特性有重要影响。基于能量法,把环肋看作离散模型,构建了任意边界条件下加环肋圆柱壳的动力学模型。采用一种改进的傅里叶级数作为位移容许函数,通过瑞利里兹程序求解结构的拉格朗日方程,得到环肋圆柱壳的振动模态和频响特性。通过与实验和有限元(FEM)方法的计算结果进行对比,验证了论文方法的准确性,在此基础上分析了环肋偏心方式、截面尺寸、位置分布和边界弹簧刚度等参数对环肋圆柱壳振动特性的影响。     

刚性角隅内圆柱壳结构声辐射特性研究

本文对流场中处于刚性角隅内圆柱壳结构振动-声辐射问题进行研究．基于双反射方法，推导了位于两个垂直刚性壁面角隅区内圆柱壳结构的振动-声辐射方程．以此为基础，开展受线环向激励力作用的圆柱壳结构的振动-声辐射特性的数值计算．研究了刚性角隅内圆柱壳结构布置位置及计算频率对声辐射功率、声指向性的影响．计算结果可为分析含复杂声学边界的结构声振问题提供技术支持．     

瞬态声振耦合问题的边界元分析及实验研究

本文探求任意外形结构在外力作用下的瞬态声场特性,研究声辐射机理,用时域边界元技术讨论外力、结构振动响应和声辐射三者之间的关系,并用实验结果加以验证,为瞬态声振耦合研究提供一种新的数值分析方法。     

热应力作用下结构声-振耦合响应数值分析

考察飞行器结构热应力对结构及其内声腔声-振耦合特性的影响,建立考虑热应力因素的声-振耦合动力学有限元方程,对一个典型飞行器结构考虑热应力时的声-振耦合动力学响应进行分析。计算结果表明,热应力的存在对耦合模型的固有频率影响较小,受热应力影响较大的区域主要集中在机头及机身等部位,其固有振动特性有较明显的变化。通过对比结构加速度与内声腔声压级的响应结果发现,热应力的影响主要表现为系统响应幅值及峰值位置的改变。     

低频振动隔离和能量采集双功能超材料

振动隔离和能量采集一体化是一种能够将有害振动隔离并转化为电能收集利用的动力学机制. 本文从局域共振超材料存在低频带隙特性出发, 研究了振动隔离和能量采集双功能超材料的动力学行为. 通过在球型磁腔内放置固接了感应线圈的球摆构成具有能量采集功能的球摆型谐振器, 并将其周期性的放置在基体梁中, 可以将带隙频率范围内的振动聚集在谐振器内, 以实现振动隔离和能量采集双功能. 建立了横向激励下双功能超材料梁的动力学方程, 应用Bloch's定理得到超材料的能带结构, 通过有限元仿真验证了理论模型和研究方法. 研究了不同参数下超材料梁的带隙特性. 进一步将一维拓展到二维, 研究了二维双功能超材料板的振动隔离和能量采集性能. 最后, 设计并建造了振动隔离和能量采集一体化双功能超材料动力学实验平台, 解析、数值和实验结果表明, 在局域共振带隙的频率范围内, 超材料梁主体的振动明显被抑制, 与此同时, 振动被局限在谐振器中, 使采集到的电压达到了最大值. 通过对附加谐振器和没有附加谐振器的能带结构和幅频响应的对比, 发现球摆型谐振器的加入可以在低频范围内形成了一个局域共振带隙, 有效提高了超材料梁在低频处的振动隔离和能量采集性能.      

谐振子支柱偏心误差对谐振子振动特性影响分析(英文)

半球壳谐振子是半球谐振陀螺的核心部件。基于弹性力学的有限单元法建立了谐振子的弹性动力学有限元方程,得到谐振子自由谐振方程。为分析谐振子支柱偏心误差对谐振子振动特性的影响,利用有限元分析软件(ANSYS)建立了半球壳谐振子有限元模型,分析了理想谐振子和存在支柱偏心误差谐振子的二阶谐振状态振动特性。深入分析了支柱偏心误差对谐振子谐振频率和变形特性等振动特性的影响规律。通过对两种影响规律的比较分析得到,支柱偏心误差导致的频率差将会引起陀螺的随机漂移;而支柱偏心误差引起的变形将会影响陀螺的零偏,可以通过标定补偿。为减小支柱偏心误差对陀螺精度和性能的影响,偏心误差的加工误差范围应小于1.2μm,分析结果为谐振子的加工设计和结构误差分析提供了理论基础。     

基于压电曲壳单元的结构振动最优控制

曲壳结构已广泛应用于航空航天、航海等领域,结构微小的振动会极大地影响部件性能,抑制曲壳结构的振动就很必要。提出了压电曲壳结构的振动最优控制模型,利用空间曲壳单元理论及多点约束方程实现曲壳基结构壳元和压电壳元的耦合,推导了压电曲壳结构动力学有限元方程,并结合线性二次型最优控制理论,实现了压电作动器对曲壳结构的振动最优控制。数值算例表明,对曲壳结构进行动力分析和振动控制时,在达到同样精度及控制效果的情况下,与平壳相比,曲壳单元及作动器所需数目要少得多。     

Topology optimization of a plate coupled with acoustic cavity

Optimization of the topology of a plate coupled with an acoustic cavity is presented in an attempt to minimize the fluid–structure interactions at different structural frequencies. A mathematical model is developed to simulate such fluid–structure interactions based on the theory of finite elements. The model is integrated with a topology optimization approach which utilizes the moving asymptotes method. The obtained results demonstrate the effectiveness of the proposed approach in simultaneously attenuating the structural vibration and the sound pressure inside the acoustic domain at several structural frequencies by proper redistribution of the plate material.Experimental verification is carried out by manufacturing topology optimized plates and monitoring their vibration and sound radiation into a rigid acoustic cavity. The measured sound pressure and plate vibration are found to be in good agreement with the predictions of the mathematical model.The presented theoretical and experimental techniques present valuable tools in the design of a wide variety of critical structures which must operate quietly when subjected to fluid loading.     

密闭腔体声-结构耦合系统的动力灵敏度分析

以密闭空腔为对象,开展了声-结构耦合系统的动力分析和灵敏度计算,为系统性态优化设计提供理论和算法基础。分别把结构和声场进行离散化,推导了声-结构耦合系统的有限元方程,求解了耦合系统的频率和声压级响应。在此基础上,以结构尺寸为设计变量,计算了耦合系统的固有频率和声压级响应的灵敏度,解决了声-结构耦合系统动力灵敏度的数值算法问题。     

双层旋转壳流固耦合振动有限元分析

本文采用旋转壳体元和流体元分析了双层旋转壳体流固耦合振动特性,基于Novozhilov壳体理论、水弹性理论以及Hamilton变分原理推导出耦合系统运动方程,计算结果与实测值比较表明本分析方法有较好的精度。     

Structural–acoustic sensitivity analysis of radiated sound power using a finite element/ discontinuous fast multipole boundary element scheme

The complete interaction between the structural domain and the acoustic domain needs to be considered in many engineering problems, especially for the acoustic analysis concerning thin structures immersed in water. This study employs the finite element method to model the structural parts and the fast multipole boundary element method to model the exterior acoustic domain. Discontinuous higher‐order boundary elements are developed for the acoustic domain to achieve higher accuracy in the coupling analysis. Structural–acoustic design sensitivity analysis can provide insights into the effects of design variables on radiated acoustic performance and thus is important to the structural–acoustic design and optimization processes. This study is the first to formulate equations for sound power sensitivity on structural surfaces based on an adjoint operator approach and equations for sound power sensitivity on arbitrary closed surfaces around the radiator based on the direct differentiation approach. The design variables include fluid density, structural density, Poisson's ratio, Young's modulus, and structural shape/size. A numerical example is presented to demonstrate the accuracy and validity of the proposed algorithm. Different types of coupled continuous and discontinuous boundary elements with finite elements are used for the numerical solution, and the performances of the different types of finite element/continuous and discontinuous boundary element coupling are presented and compared in detail. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

不同路面激励下车内噪声预测与板件声学贡献量分析

利用有限元模拟计算的方法对不同路面激励下车内噪声进行了预测, 并分析了板件对声 学的贡献量. 使用MATLAB软件生成了B级和C级路面谱. 由NASTRAN软件计算 出车身结构在不同路面谱激励下1$\sim$200\,Hz的频率响应结果, 在LMS Virtual. Lab声学软件中, 根据声传递向量技术预测驾驶员和乘客耳旁声压级响应. 还探讨了 声腔结构表面阻抗特性对车内噪声的影响. 并针对C级路面谱激励, 通过车身各板件对 驾驶员右耳声压的面板贡献量分析, 找出了结构优化的重点区域, 为降低车内声压检测点噪 声进行相关的声学处理提供参考依据.     

二维含裂纹结构与声耦合问题研究

应用分形有限元方法结合边界元方法研究了二维含裂纹结构和声耦合问题.采用二级分形有限元方法对含裂纹的弹性结构体进行离散处理,这样可以使得自由度数大大地减少;无限大外域声场的计算使用边界元方法,可以自动满足无穷远辐射条件.数值仿真算例结果表明:结构声耦合系统的共振频率随着裂纹深度的增加而下降;裂纹附近的声场所受的影响较为明显.     

航天器噪声试验中结构振动响应预示方法研究

航天器在随运载火箭发射过程中要承受严酷的噪声环境,需通过噪声试验来检验航天器承受噪声环境并能正常工作的能力.航天器噪声试验中结构振动的响应特性是结构强度设计应该考虑的因素之一,更是制定器上组件随机振动试验条件的重要依据,因此有必要在航天器研制初期对噪声载荷作用下的结构振动进行响应预示.文章应用商用有限元分析软件MSC.Patran和MSC.Nastran建立了某型号航天器结构舱板的有限元模型,将噪声载荷声压谱转换为脉动压力功率谱密度,进而采用模态法分析结构在噪声载荷作用下的随机振动响应,并将仿真预示结果与试验结果进行对比研究,在仿真分析中考虑阻尼参数模型和流场附加质量效应等因素的影响;通过研究表明:采用阻尼比随频率提高而减小的经验阻尼参数模型可以较好地反映中高频响应特性、得到较为准确的总均方根响应分析结果,进一步采用虚拟质量法考虑流场附加质量效应可以得到较为准确的功率谱密度响应分析结果.文章提出的仿真分析方法建模简便、计算成本低,适用于在航天器研制初期对航天器噪声试验中的结构振动进行响应预示.      

Tunable low frequency band gaps and sound transmission loss of a lever-type metamaterial plate

A novel metamaterial plate with subwavelength lever-type resonators is proposed to obtain low frequency broadband band gaps and good sound insulation performance. The band structure is theoretically derived, and the validity of the theoretical method is verified by the finite element method. The formation mechanisms of the band gaps are illustrated by the analysis of the effective dynamic mass density and group velocity. The effect of the lever ratio on the band gaps is analyzed. The results indicate that as the lever ratio increases, the first band gap shifts to lower frequencies, while the bandwidth is widened. Moreover, the sound insulation performance of the proposed metamaterial plate is evaluated via examining the sound transmission loss (STL). Compared with the metamaterial plates without lever accessories, the proposed metamaterial plates with a suitable lever ratio have better sound insulation performance at low frequencies.     

蜂窝层芯夹层板结构振动与传声特性研究

蜂窝层芯夹层板应用于飞行器、高速列车等交通工具的主体及底板结构时需要考虑其振动及隔声特性. 针对声压激励下的四边简支蜂窝层芯夹层板结构,应用基于Reissner夹层板理论的结构振动方程建立了的声振耦合理论模型(声压以简支模态双级数的形式引入振动控制方程),结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程,应用有限元模拟对理论预测进行了验证. 基于理论模型的数值计算结果,系统研究了蜂窝层芯夹层板结构的振动特性和传声特性,刻画了层芯厚度、蜂窝壁厚、夹层板面内尺寸和声压入射角度等关键系统参数对夹层板振动和传声特性的影响,为此类结构的工程优化设计提供了必要的理论参考.