轻质板壳结构振动与声学耦合特性的理论及实验研究

复杂板壳/板腔结构被广泛地用作汽车、高速机车、舰艇/潜艇及航空航天飞行器等外壳及内部隔舱结构,其声振耦合特性研究对降低交通工具舱内外噪声至关重要.在民用及国防工业领域减振降噪应用需求的牵引下,围绕典型板壳/板腔结构在静止流体及平均流流场中的声振耦合问题,通过理论建模、实验验证和数值计算分析相结合的研究方法,对由点激励或外部复杂声场和流场作用下产生的结构弯曲波、声波在板壳结构中的传播行为及结构的动力学响应和声振耦合特性进行了系统深入的研究,并对结构进行了力学性能和声学性能综合优化设计方面的有益探索.主要研究内容及学术贡献如下:第一,基于声波速度势函数分别建立了简支和固支双板空腔结构声振耦合性能的理论模型.相对于传统的刚性空腔模态函数法,该理论模型精确描述了边界条件对薄板和密封空气腔的约束作用,具有更广泛的适用性.研究发现:空腔厚度显著影响结构的声振耦合性能,结构传声损失曲线波峰波谷随空腔厚度的增大向低频偏移,隔声性能随之增强;低频段有限大结构传声损失大于无限大结构,而高频段无限大结构的传声损失为有限大结构提供了可能的上限;增加板厚能显著加强双板空腔结构的隔声能力;入射声波的俯仰角显著影响结构的隔声性能,而方位角的影响可以忽略.开展实验验证研究,证实了简支和固支理论模型的正确性和可靠性.研究表明,固支双板空腔结构的固有频率高于简支结构;在低频段,两种边界下的结构传声损失差别很大,而在高频段,两种边界下的结构传声损失差别取决于入射声波的俯仰角;可采用声波垂直入射情况下简支板的模态振型近似模拟固支板的模态振型,但在声波斜入射情况下,两种模态振型差别显著.第二,针对有限大简支板在两侧存在平均流情况下的声振耦合问题,建立了相关理论模型并分析研究了平均流对简支板传声损失的影响,该模型通过对流波动方程和流固界面上位移连续性条件的应用考虑了气动弹性耦合效应的影响.不同于以往的研究,该模型可分析研究最一般的情况,即简支板的两侧同时存在平均流,为深入研究分析此类问题奠定了理论基础.研究表明,入射声场中的平均流对传声损失的影响明显不同于透射声场中平均流的影响;声波折射角随入射角和平均流流速变化的等高线图存在两个分支,分别为正折射分支和负折射分支;平均流在透射声场情况下的等高线图与平均流在入射声场情况下的等高线图相比,相当于互换了入射角和折射角坐标系;空气动力学阻尼效应对传声损失的影响在两种情况下均可体现,但是两种情况下的结构吻合共振低谷差别显著:随着Mach数的增大,平均流在入射声场情况下的吻合共振频率增大,而平均流在透射声场情况下的吻合共振频率保持不变;板两侧同时存在平均流的情况下,反映折射关系的等高线图明显不同于只有一侧存在平均流的情况.另外,声波顺流入射与逆流入射对板的声振耦合特性影响显著.第三,针对飞机机身典型的双层板壳结构,考虑了飞机在巡航飞行状态时,外部气流对飞机喷气发动机产生的噪声从舱外传入舱内产生影响的物理过程与物理机理.结合板壳振动理论、对流声学波动方程、Navier-Stokes方程及流固耦合条件,建立了相关的理论模型,给出了不同Mach数下气流速度对结构传声的影响,发现了传声过程出现的4种新的声学现象;基于基本物理原理给出了4种声学现象对应频率的计算公式,并与基于振动理论、对流声学波动方程及Navier-Stokes方程的理论模型计算结果取得良好的吻合.研究表明:(i)声波顺流入射情况下,结构传声损失随Mach数的增加而增大;由于平均流的质量增加效应,使得除吻合共振以外的其它3种声学模态共振的频率显著地偏向低频;吻合共振频率增大是因为其主要受平均流折射效应的影响;(ii)声波逆流入射情况下,随着Mach数的增加,除吻合共振以外的其它3种声学模态共振频率增大直至Mach数达到临界值;当Mach数超过临界值后,板-空气-板共振、驻波衰减和驻波共振消失,仅剩吻合共振,同时,结构传声损失随Mach数的增加而增大;(iii)板曲率和舱内压的联合作用对结构传声损失具有显著影响,在曲板环频率共振附近的低频区域表现得尤为明显.第四,应用空间谐波分析法理论研究了波纹层芯夹层板结构的声振耦合特性,揭示了波纹层芯结构对整体结构隔声能力的影响;同时考察了其频散特性,发现声波在夹层板结构中传播时存在禁带和通带现象,并且传声损失曲线上的波峰和波谷与频散曲线存在内在联系.研究结果主要包括:(i)声波入射角对夹层板结构的隔声性能具有重要影响,夹层板对垂直面板入射的声波具有最好的隔声效果;(ii)波纹层芯的结构倾角对三明治夹层板的隔声性能影响显著,即随着波纹层芯结构倾角的增大,结构传声损失STL曲线上的所有隔声波峰与隔声波谷均向高频推移,传声损失整体增大,同时传声损失曲线上低频平滑段逐渐向高频扩展;(iii)对夹层板结构频散特性及传声损失的分析研究,深入揭示了传声损失曲线上出现的波峰波谷的本质的物理机理:即波峰的出现对应于驻波振动而波谷的出现对应于结构波的吻合共振;(iv)定义了综合力学和声学性能的评价指标,并据此对夹层板结构的质量、力学刚度和隔声能力进行了综合的优化设计.第五,基于Fourier积分变换法和空间谐波分析法,分别建立了正交加筋三明治夹层板结构的声辐射理论模型和结构传声理论模型.不同于以往的研究,该理论模型通过在面板的振动控制方程中引入加筋板对面板的拉力、弯矩和扭矩及其相应的惯性项,精确描述了加筋板振动对面板的作用.研究表明:(i)入射声波俯仰角对夹层板结构的传声损失影响显著;斜入射的声波比垂直入射的声波更容易穿透夹层板结构,这是因为斜入射的声波与结构中的弯曲波可以发生相长干涉;(ii)加筋板惯性效应的引入使理论预测结果捕捉到更多的物理细节,进而更准确地预测结构的声振耦合特性;(iii)作为夹层板结构周期特性的关键参数,加筋板周期间距对结构声振耦合特性影响显著,即结构的固有频率随周期间距增大而减小,特性曲线上的波峰波谷向低频偏移,但特性曲线总体形状趋势相似.最后,针对航空航天飞行器中常用到的轻质三明治复合材料夹层板结构,应用等效流体模型模拟声波在多孔纤维吸声材料中的传播,分别建立了层芯空腔填充多孔纤维吸声材料的正交加筋三明治夹层板结构的声辐射理论模型和结构传声理论模型.通过引入材料动态密度和动态体积模量,考虑了声波在纤维材料中传播时空气与纤维间的粘性拖曳力和热交换作用.研究发现,流固耦合效应对结构声辐射/传声有较大影响,而加筋板间距的增大会加剧该影响;纤维材料通过自身的刚度和阻尼损耗效应的共同作用来影响结构的声振耦合特性,而这两种作用的平衡受到结构周期间距的显著影响;提出了综合结构质量、刚度和隔声能力综合性能的夹层板结构优化设计准则,以结构的关键尺寸参数为优化设计变量,对结构进行了初步的优化设计.总之,在国家民用工业及国防工业减振降噪重大应用需求的牵引下,该文通过理论分析、实验验证和数值计算,研究了汽车、高速机车、舰艇/潜艇及航空航天飞行器中常用典型结构的声振耦合特性,建立了相对完善可靠的结构声振耦合特性理论表征体系,分析了关键结构参数对结构声振耦合特性的影响,揭示了弯曲波在结构中的传播规律及结构的声辐射/传声特性,提出了轻质、高强度、声辐射小及隔声性能优良的复杂板壳结构的创新优化设计概念,建立了综合结构质量、力学刚度和声振耦合特性的优化设计理论和判据,为典型板壳/板腔结构在民用工业及国防工业中的应用奠定了理论基础、实验依据并提供了技术支撑.     

带人工雨线的拉索在风激励下的响应

通过在风洞中对一具有可调动力特性、雨线位置和风向角的带人工雨线的拉索模型进行了试验,研究了拉索的风雨激振特性.试验结果和其他研究人员的结果进行了仔细对比,得到了一些新的结论,澄清了过去的一些模糊认识.结果表明,带人工雨线的水平索在风向为零时的响应可以用Den Hartog驰振机制来解释,而风向不为零时,拉索表现为限速振动或限速和驰振的混合型振动.     

柔性头颅模型撞击弹性板的动态响应分析

将柔性接触撞击过程处理为一个振动系统响应,采用机械网络图和求机械阻抗的方法解决了这一动态响应问题。柔性接触撞击模型考虑了头部的实际结构,把头部简化成撞击部位的头皮和头骨的质量、头部其它部分的头骨和脑液的质量、头部的刚度、头皮和脑液的阻尼系数组成的振动模型,弹性板也同样简化成由质量、刚度和阻尼构成的振动模型。采用求激振点速度阻抗的方法,得到了系统的动态撞击力、头部所受到的撞击加速度值,以及板的弹性变形、系统的固有频率等动态响应。实验数据与计算数据符合较好,证明方法是计算撞击作用下系统动态响应的实用方法,从而为头部撞击保护设计提供参考。     

基于声子晶体理论的弹性地基梁的振动特性研究

荷载影响结构的振动特性,引起抗振性能的变化.借助声子晶体理论,研究弹性地基梁的带隙特性,建立了轴向力作用时Winkler地基上声子晶体Euler梁弯曲振动模型,采用改进的传递矩阵法,计算出梁的能带结构,判断出能带结构的变化趋势.研究表明,轴力改变能带结构,带隙范围发生变化.拉力提升带隙,但地基带隙保持不变;压力降低带隙频率,地基带隙随着压力的增加而减小.同时,进行Euler模型的数值模拟,仿真的结果与理论值基本吻合.通过轴力可以调节带隙的频率范围,达到抗振、减振的效果.     

一种有效的边界元/有限元混合法迭代算法及其在回转体自由扭振分析中的应用*

本文给出一种新的边界元/有限元混合法迭代算法,基本做法是将近似的固有频率值代入自由振动问题的基本解,按一般混合法列式,通过迭代逐步修正近似解的值.这种算法避开了一般边界元法需要求解非代数特征值问题的困难,同时数值结果的精度基本上不依赖于区域内单元网格的疏密程度,这都给实际计算带来很多方便.应用于回转体自由扭振问题的分析,得到令人满意的数值结果.     

弹性约束边界条件下矩形蜂窝夹芯板的自由振动分析

蜂窝夹芯板在飞行器、高速列车等领域有广泛的用途，对其开展振动分析具有明确的科学价值及工程意义.为区别于诸简支等传统约束边界，提出了弹性约束边界下蜂窝夹芯板结构的自由振动特性分析方法.具体来说，首先通过将蜂窝夹芯层等效为各向异性板，将夹芯板问题转变为三层板结构.进一步地，将板结构的位移场函数由改进的二维Fourier级数表示，并基于能量原理的Rayleigh Ritz法得到结构的固有频率和固有振型，理论预测结果与数值模拟分析吻合较好.提出的理论模型可用于系统讨论约束边界对蜂窝夹芯结构自由振动特性的影响，为此类结构的约束方案设计提供理论依据.     

三圆盘扭振系统主共振的理论与实验研究

本文应用非线性振动的平均法，分析了一个具有立方非线性并受简谐激励作用的三圆盘扭振系统的第二阶主共振，求得了稳态响应的分岔方程，并进行了奇异性分析，理论结果与实验结果相符·     

基于最小二乘法的飞机发动机安装节动态力识别

飞机舱内噪声与振动控制的一个关键技术是获取发动机安装节处的动态力,从而实现对发动机振动引发的机体结构振动和舱内噪声进行预测和控制.但对于飞机,在飞行状态下不可能对发动机安装节处的动态力进行直接测量.通过采用最小二乘法正则化逆运算,利用地面状态下发动机安装节至吊挂或发动机安装节至安装节上的结构频率响应函数,以及飞行状态下吊挂或发动机安装节上相同位置处的振动加速度响应,对发动机安装节上的动态力进行识别.通过对比逆运算过程中的矩阵条件数,判定两组动态力识别的相对准确度.通过对两组数据识别的动态力均方根值进行对比,确认通过最小二乘法识别的发动机安装节动态力满足工程使用要求.     

基于MPS-FEM耦合方法对比研究刚性与弹性挡板对液舱晃荡的抑制作用

由流体冲击载荷引起的流固耦合问题广泛存在于船舶与海洋工程领域.例如:在特定激励频率下载液货舱内流体的非线性运动引起对舱壁的砰击作用,进而可能影响液舱围护系统的安全性.由于此类流固耦合问题通常涉及多学科知识,且流体自由面的变化具有强非线性特征,对研究人员带来较大挑战.考虑到Lagrange类方法在处理结构和流体自由面大变形问题上的优势,基于MPS-FEM耦合方法开发了流固耦合求解器.其中,采用MPS方法来数值模拟流体场瞬态变化,FEM方法来分析结构场的变形问题.此外,该求解器采用了弱耦合的方式来实现流体场和结构场之间的数据传递.为了验证该方法在处理流固耦合问题上的可靠性,首先数值研究了溃坝泄洪流与弹性挡板之间的流固耦合标准算例,数值结果与实验标准结果能够较好地吻合.此后,采用该求解器数值研究了带刚性挡板和弹性挡板的液舱晃荡问题,对比分析了多种激励频率下两种挡板对液舱内流体运动及舱壁上冲击压力的抑制效果.     

论理想流体与线弹性结构的耦联振动

本文对理想流体与线弹性结构的耦联振动问题作理论分析和数值分析.文中证明了耦联振动的固有频率存在并且均为正实数.将流-固耦合系统分析转化为单一结构物在真空中的自由振动分析后,频率方程中不再含有流体变元.使问题得以大大简化.给出了数值解的收敛性证明,以保证解的可靠性.文中还综合里兹法、边界元和有限元方法,提出一种分析转化后结构的混合算法.利用该算法,只需对现有结构分析程序稍作改进,就可分析那些理想流场与结构的耦合问题.一些数例说明了算法的有效性.     

Magneto-Structural analysis of rotating electrical machines

The vibrations of the stator core of a rotating electrical machine induce acoustic noise. These oscillations of the stator yoke are excited of the force density due to the magnetic field in the air gap. This requires a transient magnetic field analysis coupled with a dynamic mechanical analysis. Coupling these two different physical fields results in a high numerical effort and usually one direction of the interaction is disregarded. This paper presents a method to calculate the vibrations of a stator core under design operating conditions. For this purpose, harmonic electromagnetic excitation forces have been calculated in a linear magnetic field analyses using the finite element method. The resulting forces have been applied to a linear structural dynamic FE model in the frequency domain. The results of the calculations are harmonic velocities specified by amplitude and phase from the structural surface of the stator core. (© 2016 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

A Coupled FE-BE Analysis of Smart Lightweight Structures for Active Noise and Vibration Control

Over the past years much research and development has been done in the area of active control in order to improve the acoustical and vibrational properties of thin–walled lightweight structures. An efficient technique for actively reducing the structural vibration and sound radiation is the application of smart structures. In smart structures piezoelectric materials are often used as actuators and sensors. The design of smart structures requires fast and reliable simulation tools. Therefore, the purpose of this paper is to present a coupled finite element–boundary element formulation, which enables the modeling of piezoelectric smart lightweight structures. The paper describes the theoretical background of the coupled approach in which the finite element method (FEM) is applied for the modeling of the passive vibrating shell structure as well as the surface attached piezoelectric actuators and sensors. The boundary element method (BEM) is used to characterize the corresponding sound field. In order to derive a coupled FE–BE formulation additional coupling conditions are introduced at the fluid–structure interface. Since the resulting overall model contains a large number of degrees of freedom, the mode superposition method is employed to reduce the size of the FE submodel. To validate the accuracy of the proposed approach, numerical simulations are carried out in the frequency domain and the results are compared with analytical reference solutions. (© 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Numerical simulation of the flow field of a diffused pneumatic silencer

A diffused pneumatic silencer had been widely used in the pneumatic fields due to its small dimensions and high level of performance in noise reduction. A numerical simulation of its interior and exterior flow field was important for studying the gas flow in the silencer and the flow structure outside the silencer, as well as for understanding the mechanism of the silencer’s noise reduction. A porous media model and the Darcy–Forchheimer principle were used as the basic theoretical models in this paper. The unified governing equations were used here to describe the compressible flow in and out of the silencer. A robust numerical scheme was used to discritize the equations, and the TDBC (Time-dependent boundary conditions) was used to treat the non-reflecting boundaries. The detailed structures of the inner and outer flow fields of the diffused pneumatic silencer were obtained. The simulation results displayed the characteristics of the flow in the silencer. The nature of the flow outside the silencer, comparable with the experimental data, was also obtained.     

空泡起始和溃灭阶段的噪声

本文对孤立空气-水蒸汽空泡,在起始和溃灭阶段的噪声进行了分析.导出了噪声声压及振速的表达式,并进行了具体的计算.计算结果表明:从自由气核发育的起始时刻到空泡溃灭的整个过程中均伴有噪声.空泡噪声主要发生在溃灭阶段的晚期,其声压的数量级可以达到100分贝以上. 在基本声学假定下[1],考虑理想、不可压流体中,孤立空气-水蒸汽空泡在起始和溃灭阶段的噪声,并计及液体的表面张力的影响.     

Numerical implementation and applications of a coupling algorithm for structural–acoustic models with unequal discretization and partially interfacing surfaces

The numerical implementation of a coupled finite element–boundary element algorithm for computing simultaneously the structural vibration and the associated acoustic field and a complete set of validation and application data is presented. The new developments in the coupling algorithm presented in this paper are associated with a capability for unequal mesh density between the structural and the acoustic model, division of both models into interfacing and non-interfacing zones, efficient computation of the coupling matrices, and incorporation of acoustic multiple connection constraints in the coupling computations. Applications are identified in the area of launch vehicle dynamics where a reverberant acoustic environment provides the excitation for computing either noise transmitted through flexible structures, or noise-induced vibration due to acoustic loads. Results and correlation to test data are presented for a fairing and an expansion nozzle of a rocket. Numerical results are also compared to an analytical solution for noise transmitted through a flexible cavity backed plate.     

Sound Insulation of Porous Plates

Because of the still increasing noise pollution the numerical simulation of acoustic problems becomes more and more important. One essential aspect is the numerical treatment of noise insulation of solid walls. The main noise source is the bending vibration of separating components. In general, they consist of porous material, e.g., concrete or bricks. To take into account the porous structure as well as the damping effect of the porosity of these components a poroelastic plate theory is developed. The Finite Element implementation of this plate theory shows the importance of taking porous materials into account. (© 2004 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

NaClO3晶体生长过程光学诊断与数值模拟

运用光学干涉诊断方法实时观测NaClO3晶体生长过程，得到晶体生长过程中溶液浓度，晶体尺寸等物理参量．将这些参量与数值模拟得到的结果进行比对，研究重力条件下NaClO3晶体溶液生长过程中速度场、浓度场的分布与演化，尝试提出符合实际情况的晶体生长理论模型,对比两种方法得到的浓度边界层厚度，数值模拟得到了与实验数据相一致的结论.     

二维水翼的局部空泡流研究

运用基于速度势的低阶边界积分方法研究了二维水翼的定常局部空化。通过迭代求解给定了空化数的空泡长度和空泡形状,运动学和动力学边界条件在迭代过程中满足;采用回射流模型和压力恢复闭合模型代替空泡后的高湍流度的二相尾流。计算结果和已发表的数值结果进行了比较。