阻尼加筋薄板振声特性优化及应用研究

摘要

薄板结构作为当今工业生产中一种常用的结构形式，因其本身所具有的轻质、结构简单、散热优良等特点，被广泛应用到各种领域和产品中，小到各种机械零部件外壳，大到飞机、潜艇、舰船的机身都大量使用了此类结构。然而，由于薄板类结构阻尼小、刚度较低易变形、辐射面大、辐射效率又高，很容易成为振动和声辐射源，进而成为结构和产品稳定性与安全性的不利影响因素。 本文从结构的刚度特性研究出发，系统的研究了矩形板、加筋板和阻尼加筋板的刚度特性、振动响应特性和声辐射特性，总结出基于加筋和加阻尼材料相结合的板壳类结构的减振降噪结构拓扑设计与优化方案，并通过了实验验证。最后将减振降噪优化方案应用到风机壳体减振降噪设计中去，并取得了理想的效果。 本文主要工作和研究成果如下： 结构刚度特性研究：从矩形薄板出发，以结构的前六阶模态为评价指标，运用有限元分析软件Workbench分析了薄板的约束条件、厚度、长宽比等因素对结构刚度的影响；研究了加筋板的加筋数量、筋的分布形式对加筋板整体刚度影响的变化趋势；对于阻尼加筋板，本文研究了阻尼层厚度和分布形式对结构刚度的影响。最终形成了结构模态频率随各种拓扑结构参数变化的拟合曲线，总结出了其变化趋势和规律。 结构振声特性研究与优化：本文运用有限元分析软件Workbench和声学分析软件Virtual.Lab Acoustics进行联合仿真，对结构进行了振动响应和声学响应的分析与研究，分析矩形板的厚度、加筋板的激励点位置、加筋数量和分布形式、阻尼加筋板的阻尼层厚度、分布形式对结构振动响应和声辐射的影响，运用Matlab分别绘制了结构的振动加速度级曲线和声功率级曲线，分析和总结出了对应拓扑结构形式对结构振动和声辐射特性的影响趋势，形成了振动加速度级和声辐射功率级随着板厚、加筋数量、阻尼层厚度等因素的变化曲线，并基于阻尼层分布对结构振动和声辐射的影响对比分析，总结出了通过改变阻尼层分布形式进行减振降噪设计的拓扑结构优化设计方案。仿真分析结果显示，优化设计方案对峰值点振动加速度级的降低都在3dB以上，对峰值点声辐射功率级的降低都在4dB以上，总的声辐射功率级也降低了2.6dB。 结构声振特性实验验证：本文运用声振测试分析软件LMS Test.Lab和PULSE设置了声振测试分析系统，设计了矩形板、加筋板和阻尼加筋板的实验模型，制定了实验方案，对加筋板进行了实验模态验证，证明了实验边界条件以及加强筋处理的合理性；对矩形板、加筋板、阻尼加筋板进行了振动响应对比测试和声学对比测试，验证了加筋和加阻尼对结构声振特性的影响趋势。 结构声振特性优化设计方案工程应用：本文将得到的优化设计方案应用到了风机壳体减振降噪优化设计中，基于加强筋和加阻尼相结合的方法，提出了一套针对板壳类结构的减振降噪的系统优化设计方法，分析结果显示，相对于优化前的风机壳体，优化后风机壳体的振动加速度级和声辐射功率级都能够降低10dB以上。本文的优化设计方案为同类结构的减振降噪设计提供了理论和实践方法指导。

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