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．     

含裂纹损伤充液圆柱壳的振动响应求解方法

薄壁圆柱壳流体冲击振动响应是一个复杂的流固耦合(FSI)动力学问题，对于薄壳状态监测与缺陷识别具有重要意义。基于Flügge壳体应力理论，得到壳体运动的高阶偏微分方程组(PDE)，利用波传播方法获得圆柱壳系统振动响应。将壳体周围流体定义为理想声学介质，通过亥姆霍兹方程描述声压场，得到流固耦合条件下的薄壁圆柱壳受迫振动响应演变规律。针对薄壳裂纹损伤识别问题，基于断裂力学理论建立局部柔度矩阵，结合呼吸型线弹簧模型(LSM)，构造裂纹附近应力及位移连续条件，获得含裂纹损伤充液圆柱壳的振动响应，进而给出一种基于振动能量流的裂纹损伤识别方法。研究结果表明：充液圆柱壳耦合系统在非线性激励下，位移响应在沿轴向、周向和径向的传播特性差异明显；裂纹的存在会导致结构局部柔度的降低和耦合系统固有频率下降；归一化输入功率流能够有效地对充液圆柱壳耦合系统进行结构裂纹损伤识别。研究结果可为充液薄壳振动响应方面的研究提供有益参考，也可为流固耦合条件下的结构裂纹损伤识别方面提供技术支持。     

船舶振动声学优化设计中设备运动激励的等效反演力方法

当设备振动载荷以运动激励形式给出时,常采用大质量法或直接加速度法进行结构动力响应分析。但基于这两种方法的动力学模型无法用于船舶振动模态分析以及振动声学优化设计迭代过程中的动力学重分析。本文基于动力设备内源激振力的不变性,提出等效反演力法,将设备运动激励转换为设备等效内源力载荷,用于船舶水下辐射噪声的预报以及结构声学优化设计。以某舱段为例,对比分析了不同加载方法对应的动力学模型的固有频率与水下辐射噪声声功率,实测水声声功率为92.33 dB,基于等效反演力法输入的水声声功率数值计算结果为93.84 dB,两者相差1.51 dB。研究表明,等效反演力法是在振源设备载荷以运动激励给定时计算水下辐射噪声并用于声学优化设计的优选方法。     

基于区域分解的环肋圆柱壳-圆锥壳组合结构振动分析

提出了一种区域分解法来分析不同边界条件下环肋骨圆柱壳-圆锥壳组合结构的振动特性.首先把组合壳体分解为自由的圆柱壳、圆锥壳段;视环肋骨为离散元件,根据肋骨与圆柱壳段之间的变形协调条件,将肋骨的动能和应变能附加于圆柱壳段能量泛函中.然后基于分区广义变分和最小二乘加权残值法将所有分区界面的位移协调方程引入到组合壳体的能量泛函中.圆柱壳段、圆锥壳段位移变量的周向和轴向分量分别采用Fourier级数和Chebyshev多项式展开.以自由-自由、自由-固支和固支-固支边界条件的环肋骨组合壳体为例,采用区域分解法分析了其自由振动及在不同激励下的振动响应.通过与有限元软件ANSYS结果进行对比,发现两种方法计算结果非常吻合,验证了区域分解方法的计算精度和高效性.     

飞机内部噪声分析中改进的自由界面模态综合方法

本文提出一种在飞机内部噪声分析中求解柔性结构与所围流体声介质空腔流固耦合固有振动和响应的改进的自由界面模态综合方法,着重处理弹性旋转壳与内部流体声介质耦合固有振动这一机身内部噪声分析中至为重要的基本问题。文中对轴对称空腔的声学有限元模型作了政进,克服了用常规半解析有限元模型分析位势问题时存在的缺陷,对机身模型的算例表明,本方法显著缩减了计算规模,计算结果与试验十分吻合。     

考虑结构损耗时水中圆柱壳的振动声辐射特性研究

基于圆柱壳的振动方程以及壳与流体边界上振速连续条件,推导了简支在刚性圆管上的有限长圆柱壳的低频声辐射的自辐射阻抗和互辐射阻抗计算公式,在考虑结构损耗情况下求解了圆柱壳的机械阻抗、表面振速、辐射声功率、辐射效率以及辐射声场的分布特征。结果表明:低阶模态自辐射阻抗大于互辐射阻抗,且自辐射阻随模态阶次增大迅速减小;当p、m同为偶数或奇数时模态辐射阻系数rpmqq大于零,反之小于零。模态辐射抗系数xpmqq在零值附近波动并当ka趋于无穷大时xpmqq都趋向零;p与m相差越大,rpmqq和xpmqq越小。当激励力频率较低时圆柱壳辐射声场指向性为"∞"和"8"叠加的形状;随频率增高,轴向模态和周向模态综合效果导致辐射声场指向性趋于复杂。计算简支圆柱壳的声辐射特征,必须要考虑结构的损耗。     

带频率约束的浸水圆柱壳结构优化设计

与干结构相比，流固耦合系统属于非经典问题，其动态设计要复杂得多。本文基于流固耦合分析，主要探讨了浸水圆柱壳在频率，重量等约束条件下的优化设计问题。针对圆柱壳的结构特点，对壳体，流场分别采用有限条，边界元法进行分析以减小计算量。充分利用系统的灵敏数度信息，采用多目标优化方法对浸水圆柱壳进行了优化设计。通过具体算例证明了本文方法的可行性。     

基于二阶双渐近法的双层圆柱壳在水下爆炸作用下的鞭状运动

针对潜艇在水下爆炸载荷下的鞭状运动,从波动方程出发,推导了二阶双渐近法后期近似,并结合声固耦合法初步解决了双层圆柱壳的内域问题,然后将其与显式有限元耦合形成了圆柱壳结构水下爆炸流固耦合分析方法。通过简单算例验证了本文分析方法的有效性和精度。最后,基于此方法分析了双层圆柱壳结构在水下爆炸载荷下的总体响应特性以及周期比和爆距比对其影响规律。     

大型冷锯机切噪声声功率的预估

通过对大型冷锯机锯切过程中主要声源及受力分析,明确了主要锯切噪声是由锯齿脉冲激励引起锯片和工件的局部高频振动所产生的。并用大型有限元结构分析软件ANSYS计算得到的单元速度值,根据结构振动声辐射理论,对冷锯机的锯切噪声进行了定量预估。从理论预估值与现场锯切噪声实测结果的比较可见,本文所建立的大型冷锯机锯切噪声分析及预估理论是正确的。     

夹芯圆柱壳在水下爆炸载荷作用下的抗冲击特性

采用声固耦合方法对夹芯圆柱壳和等质量的普通圆柱壳在爆炸载荷作用下的应变、速度和加速度进行有限元计算。结果表明:夹芯防护层对爆炸冲击波可起到较好的衰减作用,即通过芯层的塑性变形,耗散了冲击过程中产生的大部分能量,对里面的圆柱壳体起到较好的保护作用,由于夹芯防护层的存在,与等质量的普通圆柱壳相比,夹芯圆柱壳能够承受更强的爆炸冲击波,降低结构的整体变形。     

阶梯圆柱形耦合声场的特征正交-里兹法建模及声学特性分析

针对阶梯圆柱形耦合声场建模问题,提出基于特征正交-里兹能量原理的声学建模方法.该方法利用二维特征正交多项式和周向傅里叶级数表征阶梯圆柱形耦合声场子分段的声压函数,从能量角度考虑邻近子声场间声学连续性条件,并结合里兹法获得耦合声场的声学特性.基于本建模方法对不同分段的耦合声场开展声学特性分析,结果表明,本建模方法在保证计算准确性的基础上有效提高了计算效率,且对任意阶梯分段的圆柱形耦合声场普遍适用;圆柱形耦合声场固有频率会随着腔体外径增大而普遍增大,而腔深的影响规律相反;降低声学边界阻抗可抑制声学响应幅值,为此类声场的噪声控制提供了设计依据.     

二维稳态辐射声场的光滑有限元-完美匹配层解法

针对外场声学有限元计算精度偏低的问题, 将光滑有限元技术引入到二维稳态辐射声场预测中, 提出了光滑有限元-完美匹配层解法. 该解法采用完美匹配层截断声场计算域, 并将其离散为等参四边形单元, 采用指数吸收函数实现完美匹配层内参数坐标和笛卡尔坐标的映射关系, 采用光滑声压梯度技术计算辐射声场刚度矩阵, 将形函数梯度的域内积分转换为形函数域边界积分. 某汽车二维声腔辐射声场的数值分析结果表明, 与标准有限元-完美匹配层相比, 光滑有限元-完美匹配层解法在完美匹配层内的声波吸收效果更好, 在计算域内的数值计算精度更高, 具有良好的工程应用前景.      

附加自由阻尼结构系统的有限元分析和拓扑优化设计方法研究

给出了一种适用于车身等复杂附加阻尼结构系统的有限元建模和动态特性分析方法,包括附加自由阻尼薄壁结构和附加阻尼材料粘弹性特性的有限元建模方法以及附加阻尼结构动态特性的有限元分析方法。在此基础上,又以强迫振动响应最小为优化设计目标,给出了一个附加阻尼结构的拓扑优化设计方法,包括优化设计问题的列式和适用的求解算法。通过对一个简单薄壁构件和一个车身地板上的附加阻尼结构的拓扑优化设计,验证了提出的有限元分析和拓扑优化设计方法的有效性。     

激光辐照下圆柱壳结构的稳定性分析

针对航天工程中常用的承受轴压作用的薄壁圆柱壳,分别采用解析方法与特征值屈曲有限元方法分析了圆柱壳结构在均匀轴压作用下的稳定性能,得到了屈曲承载力.并进行了对比,验证了有限元模型的合理性.采用线性屈曲特征值有限元方法分析了强激光辐照作用下圆柱壳的稳定性能,分析表明激光辐照导致壳体局部温度上升并由此带来材料参数的改变,是因为激光辐照在壳体中引起了热应力与热应变,使轴压圆柱壳的屈曲承载力明显降低.论文还着重对加筋圆柱壳结构的稳定性进行了研究,数值分析结果表明,加筋能有效提高圆柱壳结构的抗压承载力,激光辐照作用下,加筋对轴压作用下圆柱壳的屈曲承载力的提高作用更为明显.     

冲击声场的时域边界元分析

本文用时域边界元技术从理论上探求机械结构在冲击力作用下的瞬态声辐射规律,预报声场特性,为冲击噪声的研究提供理论分析方法和计算手段。     

Numerical investigation of the slope discontinuities in large deformation finite element formulations

In many multibody system applications, the system components are made of structural elements that can have different orientations, leading to slope discontinuities. In this paper, a numerical investigation of a new procedure that can be used to model structures with slope discontinuities in the finite element absolute nodal coordinate formulation (ANCF) is presented. This procedure can be applied to model slope discontinuities in the case of commutative rotations of gradient deficient elements that are used for modeling thin beam and plate structures. An important special case to which the proposed procedure can be applied is the case of all planar gradient deficient ANCF finite elements. The use of the proposed method leads to a constant orthogonal element transformation that describes an arbitrary initial configuration. As a consequence, one obtains, in the case of large commutative rotations and large deformations, a constant mass matrix for structures which have complex geometry. The procedure used in this investigation to model slope discontinuities requires the use of the concept of the intermediate finite element coordinate system. For each finite element, a new set of gradient coordinates that define, at the discontinuity node, the element deformation with respect to the intermediate element coordinate system is introduced. These new gradient coordinates are assumed to be equal for the two finite elements at the point of intersection. That is, the change of the gradients of two elements at the intersection point from their respective intermediate initial reference configuration is assumed to be the same. This procedure leads to a set of linear algebraic equations that define the orthogonal transformation matrix for the finite element. Numerical examples are presented in order to demonstrate the use of the proposed procedure for modeling slope discontinuities.     

Sound radiation of a functionally graded material cylindrical shell in water by mobility method

Based on the fundamental dynamic equations of functionally graded material (FGM) cylindrical shell, this paper investigates the sound radiation of vibrational FGM shell in water by mobility method. This model takes into account the exterior fluid loading due to the sound press radiated by the FGM shell. The FGM cylindrical shell was excited by a harmonic line radial force uniformly distributing along the generator. The FGM shell equations of motion, the Helmholtz equation in the exterior fluid medium and the continuity equation at fluid-shell interface are used in this vibroacoustic problem. The expressions of sound radiation efficiency and sound field of the FGM shell have been derived by mobility method. Radiation efficiency, modal mobility and the directivity pattern of the sound field are solved numerically. In particular, radiation efficiency and directivity pattern with various power law index are analyzed.