圆柱壳振动声辐射Jacobi-Ritz时域半解析法及特性分析

针对圆柱壳结构瞬态声振特性分析研究不足,结合Newmark-β积分法和Kirchhoff时域边界积分方程,提出一种圆柱壳受迫振动声辐射Jacobi-Ritz时域半解析法。基于一阶剪切变形理论和微元法思想,建立了圆柱壳振动声辐射分析模型,采取Jacobi多项式和Fourier级数表示轴向和周向位移容许函数,基于Rayleigh-Ritz法和Newmark-β积分法计算圆柱壳的受迫振动时域响应,在此基础上,基于Kirchhoff积分方程求解辐射噪声时域响应,分析圆柱壳受迫振动声辐射特性。与有限元方法/边界元方法数值结果对比表明,该方法具备收敛性好、精度高等优点,圆柱壳结构声振响应峰值随边界条件的刚度变弱存在左移现象,振动声辐射响应随厚度的增加呈现下降趋势;当随机载荷峰值频率与结构固有频率接近时,结构声振响应出现强特征线谱。     

局部腐蚀下耐压船体结构振动特性及稳定性研究

为探究局部腐蚀下耐压圆柱壳的承载特性,在均匀深水压力作用下,针对具有局部腐蚀的环加筋圆柱壳的振动特性及稳定性进行了研究,分析了腐蚀参数对振动特性与临界失稳载荷的影响。通过改变腐蚀面积、腐蚀位置和腐蚀深度,利用有限元软件NASTRAN进行系列仿真分析,得到了含有局部腐蚀环加筋圆柱壳结构的振动特性及失稳破坏模式。结果表明:当腐蚀深度大于3mm时,结构开始出现局部振动模态且固有频率单调下降;静水压力作用下带有局部腐蚀的环加筋圆柱壳一阶固有频率的平方与静水压力呈三段线性关系;在临界载荷方面,当腐蚀深度小于2mm时其对结构的临界失稳载荷几乎没有影响,当腐蚀深度大于2mm时临界载荷随即减小。     

应用波数谱分析纵向构件对双层圆柱壳振动与声辐射的影响

为研究纵向构件对双层圆柱壳振动与声辐射特性影响的一般规律,首先采用结构有限元耦合流体边界元方法计算出增加纵向构件前后双层圆柱壳轻外壳的振动响应;然后,采用波数谱分析的方法将它们在波数域上进行波形分离,并得出它们法向速度振动功率波数谱和辐射声功率波数谱;最后,通过对两模型不同波数谱的比较分析,总结了纵向构件对结构振动模式的影响以及结构振动模式与辐射声功率间的关系。研究表明:纵向构件对圆柱壳轻外壳周向阶的振动影响不大,它的加强会减小轻外壳轴向长波振动的幅值,但能增加其平均辐射效率。     

肋骨、舱壁布置形式对圆柱壳水下声振特性的影响

采用结构有限元耦合流体边界元方法对不同肋骨、舱壁布置形式的圆柱壳的流固耦合响应进行了计算。通过波数谱方法,结合柱壳规则波的声辐射效率,对不同波数成分结构波的振动与声辐射进行了量化。运用等间距与不等间距结构振动理论揭示了肋骨、舱壁布置形式对圆柱壳水下振动与声辐射特性产生影响的机理。研究发现:结构不等间距布置的圆柱壳水下振动特性整体上较优,但受壳体周向振动模式影响较大;结构不等间距布置的圆柱壳声辐射特性并不一定优于结构等间距布置的圆柱壳声辐射特性。     

装备外壳结构周期设计及其振动特性

将声子晶体能带理论应用于装备外壳结构设计,把装备外壳圆柱壳段设计成周期结构。基于多子结构的双协调自由界面模态综合法,计算并对比了周期圆柱壳与非周期圆柱壳对弯曲振动的衰减特性。结果表明,周期圆柱壳中有弯曲振动强衰减带隙存在,而非周期结构中则没有带隙存在。进一步研究了轴向周期复合夹层材料圆柱壳的弯曲振动特性。同样,该周期复合夹层结构中依然有弯曲振动带隙存在,且在带隙频率范围内弯曲振动传播将受到明显的抑制。最后,考虑实际装备外壳形状,研究了含周期结构圆柱段的复杂装备外壳振动特性。研究表明,经过局部周期设计的复杂装备外壳保持了带隙特性,这说明了将能带理论应用于工程实际装备外壳的振动控制具有可行性。     

复合材料夹芯圆柱壳自由振动研究

为探究某复合材料夹芯圆柱壳的振动特性,采用单点拾振法进行模态试验,并基于有限元方法对该圆柱壳进行了固有频率计算。将实验和仿真对比,发现有限元计算固有频率和实验最大误差为10.65%,模态振型大体一致,振幅曲线吻合较好。基于有限元法研究了长度、半径以及芯材表层厚度分布对该圆柱壳基频的影响,结果表明:长度和半径的增加均导致基频的降低,但长度的变化对基频的影响更显著;圆柱壳基频状态时的振型与几何参数有关,即半径增加,环向波数增多;长度增加,环向波数减少。采用二阶实体单元对芯材进行离散,内外表层相对中面线位移具有对称性,芯材因其自身的弹性处于压缩状态,说明有限元法能有效模拟内外表层横向位移运动情况。     

带有消声瓦的潜艇耐压壳的稳态振动和横向应力

采用混合分层理论和Ressiner混合变分原理,在壳的厚度方向取二次插值函数来描述位移沿厚度方向的变化规律;采用三次和四次插值函数来描述横向应力沿厚度方向的变化,线形处理筋条的变形,推导出粘弹加筋层合圆柱壳的动力学方程和协调方程组,并采用拉普拉斯变换,得出简支粘弹加筋层合圆柱壳稳态振动的响应解。对于自由阻尼层合圆柱壳,所给出的振动频率和结构损耗因子与解析解吻合良好.结果表明,较高的层间横向正应力是引起潜艇消声瓦脱落的主要因素,而采用较高模量的粘弹性阻尼材料将降低层间横向应力的幅值.     

圆柱壳在轴向压力作用下的稳定性和振动特性

利用Hamilton原理得出轴向压力作用下圆柱壳位移增量的动力学方程,推导了方程的解析解。通过数值计算,分析了轴向压力作用下圆柱壳的临界屈曲压力随壳体长度变化的曲线,讨论了壳体几何参数(L,h)变化和轴向力幅值变化对振动频率影响的变化曲线。数值计算结果表明,圆柱壳的临界屈曲压力与失稳模态紧密相关;圆柱壳的自振频率随壳体的长度增加而下降,随壳体的厚度增加而提高;圆柱壳的自振频率和最低频率随轴向压力的增大而下降。     

圆柱壳体振动特性研究与有限元计算验证

采用解析理论和有限元方法研究计算了圆柱壳体的固有频率与固有振型,发现环向封闭的圆柱壳具有同一节点形式的两种固有振型,对应两种固有振型的固有频率值相同。     

舱壁振动对环肋圆柱壳舱段振声性能的影响

舱壁振动会传递到相连壳体部分,进而影响圆柱壳舱段振动和声辐射。为明确舱壁振动对环肋圆柱壳振声性能的影响,利用FEM/BEM法从舱壁边界条件和结构参数变化两个方面进行了数值计算,分别讨论了舱壁约束条件、舱段截取尺寸、舱壁封板形状、舱壁厚度及加强筋形式变化的影响规律。结果表明:研究有限长环肋圆柱壳振声性能时,两端边界简支边界是可取的;舱段截取对计算结果有较大的影响;改变舱壁形状对壳体振动均方速度级峰值影响较大;增加舱壁厚度和舱壁加筋对圆柱壳振声性能的影响要分频段考虑,总体来说对改善舱段振声性能有利。     

双层柱壳的流固耦合模态计算与试验研究

采用结构有限元和内域流体有限元的流固耦合计算方法,对球壳及其内域流体进行有限元离散计算,并将计算所得的模态振动频率与理论结果进行了比较.采用同样的方法,进一步对加筋双层圆柱壳进行了流固耦合的复特征值分析,并求解了其固有频率和振型.试验分别对双层柱壳充水和不充水情况下模态和模态频率进行了测量,结果证实了数值计算方法的正确性.     

具有初始挠度的环肋圆柱壳在静水外压作用下的应力分析

本文讨论了壳板初挠度对环肋圆柱壳在静水外压作用下应力分布的影响,用理论分析的方法预报了有初挠度壳体中的应力。通过对涡型初挠度的讨论,建立了初挠度范围因子的概念,提出了具有普遍意义的初挠度数学模型,并且用线性小挠度理论对具有非轴对称初挠度的弹性环肋圆柱壳进行了求解并与SAPV计算结果进行了比较。理论分析表明,初桡度范围对壳体应力也有较大的影响,外凸和内凹初挠度对壳体应力的影响是不同的。因此,应该综合讨论初挠度幅值、范围以及凸凹形式对环肋圆柱壳壳体应力的影响。     

受压带肋圆柱壳体固有振动频率和稳定性计算

论述了丧失舱段总稳定性是潜艇耐压壳体在深潜时的主要破坏模式 .并将振动屈曲理论应用于潜艇耐压壳体稳定性的研究 ,在 Donell公式的基础上 ,导出了带肋圆柱壳体的整体固有振动频率与壳体所受外界水压之间的关系表达式 ,据此解出带肋圆柱壳体整体失稳的理论压力值 .最后 ,将公式的计算结果、实验结果和有限元法的计算结果进行比较 ,得出几点结论 .     

复合材料层合圆柱壳的动力响应与层间应力

采用分层壳理论和厚度方向的二次插值函数推导出正交铺设层合圆柱壳的动力响应方程,并得出简支层合圆柱壳自由振动问题的解.对于给定算例,计算出的自振频率与三维分析的结果吻合良好,说明所推导的二维解具有足够精度.计算了前四阶模态对应的壳中应力.计算结果说明,对于高阶模态,层间应力相对于面内应力的比值远高于低阶模态的对应比值,高的层间正应力是高阶模态导致脱层破坏的主要原因.     

基于遗传算法的复合材料圆柱壳水下声辐射优化

为了降低艇体的振动噪声,建立了复合材料圆柱壳的有限元模型,并对其水下振动和声辐射特性进行了研究。在此基础上,分析了复合材料圆柱壳水下声辐射的优化模型;基于遗传优化算法,以复合材料铺层角度为设计变量,以流固耦合面内辐射声压的最大值为优化目标,进行了优化分析。结果表明:对复合材料圆柱壳的铺层角度进行优化设计可以有效提高其声辐射性能,相比对称铺层方式,优化后的远场辐射声压级在50～300Hz频段内平均降低了3.6dB。该结果验证了优化设计的有效性,为下一步进行大型复杂水下结构的声辐射优化研究提供了一定的思路。     

大容量中频变压器箔式线圈振动模态的影响因素分析

为了分析箔式线圈振动模态的影响因素,首先在ANSYS环境下建立了箔式线圈的等效三维有限元模型,仿真计算了其前10阶模态振型和固有频率;然后,采用单输入单输出方法对自由状态下的箔式线圈进行了模态试验,验证了仿真模型的准确性,并在此基础上分析了绝缘层弹性模量和层间分离对振动模态的影响。结果表明:仿真结果与试验结果吻合较好;绝缘层弹性模量增大,箔式线圈固有频率呈线性升高;箔式线圈的层间分离会造成固有频率下降,并出现局部振型;圆角位置的分离对模态影响最显著。     

采用钢丝加强的气囊式声学覆盖层的减振降噪效果

为降低加肋圆柱壳受内部力激励时的振动与辐射噪声,在其外表面整体敷设了气囊式声学覆盖层。气囊式声学覆盖层由内外层橡胶蒙皮与内部充入的气体组成,并在外层蒙皮中嵌入环形或螺旋形钢丝。在此基础上,将外层蒙皮简化为一维无限长障板,采用理论方法研究了该障板的声传播特性,并采用附加质量与附加阻尼的有限元耦合边界元算法计算了敷设气囊式声学覆盖层的加肋圆柱壳的水下振动与辐射噪声,结果表明:采用钢丝加强的气囊式声学覆盖层可以有效降低加肋圆柱壳的振动与辐射噪声。静力学计算表明:增加钢丝的数量和钢丝直径可以更有效地增加外层蒙皮的刚度。     

超空泡水下航行体振动特性分析

用有限元方法分析了超空泡水下航行体的固有特性,计算了自由边界条件下超空泡航行体的振动特性,求出了固有频率和模态,并选取对其结构性能有重要影响的四类模态,即梁弯曲模态、呼吸模态、径向模态和轴向弯曲模态绘制了三维模态图.研究表明,超空泡水下航行体无阻尼自由振动的首阶模态为梁弯曲模态;呼吸模态发生的初始频率较高;径向模态发生的初始频率较低;轴向弯曲模态发生的频率比较集中,变形较为复杂.所得结果为今后开展进一步的超空泡航行体结构动力学研究提供了模型基础.     

基于红外热像法的叶片受迫振动热耗散规律研究

疲劳过程中存在热耗散效应,热耗散产生的温度变化可反映疲劳损伤过程,为研究航空发动机叶片疲劳问题,故提出基于红外热像法的叶片受迫振动热耗散规律研究。首先,系统分析疲劳热耗散理论;其次,对叶片结构进行模态分析,获取各阶振型以及应力分布,分析振动特性,并确定薄弱区域;最后,基于红外热像法对平板和叶片结构在超声激励受迫振动过程中的热耗散规律进行研究。结果表明：叶片结构高阶模态主要为弯曲或扭转为主的复合振动,应力集中常发生在叶根与叶身中部;质量、阻尼作用和振动时间分别影响试件表面温升速率和最大温升值;热像法可作为结构受迫振动下应力集中区域快速检测的有效技术手段,为叶片结构振动疲劳非接触式测量研究提供了新的思路。     

纵桁对环肋圆柱壳体水下振动与声辐射的影响

采用结构有限元耦合流体边界元的附加质量附加阻尼算法,对具有不同数量纵桁的加筋环肋圆柱壳水下振动与声辐射噪声进行了数值计算,并对数值计算结果进行了初步的比较和分析,讨论了纵桁的数量对圆柱壳水下振动与声辐射的影响.结果表明:纵桁对圆柱壳水下的减振降噪有较好的效果,并且纵桁的数量越多,减振降噪效果越好,但增加纵桁的数量也相应增加了艇体的重量,在潜艇结构设计时须在降噪及艇体重量间综合权衡.