钢铝混合结构高速船声振传递分析与控制研究

摘要

船舶振动噪声问题一直受到人们的重视,尤其是高速船的振动噪声问题,其振动噪声水平比一般的货船要求更高。振动噪声问题会严重影响旅客和船员的舒适性,对其身心健康有一定的危害性,同时还会影响船上仪器设备的正常工作,甚至可能会危害船舶的结构安全。实践证明,在船舶建造完工之后再采取各种减振降噪措施,通常情况下只能局部解决问题,而且会大大增加船舶建造成本。如果在船舶设计阶段对船舶振动噪声特性进行研究及预报,提出相应的声学设计的方案,这样对改善高速客船的声学性能具有重要意义,同时也能缩短造船周期,节约成本。很多高速客船在建造的时候,为了减轻重量,提高航速等,采用钢铝混合结构,即主船体采用钢质,上层建筑采用铝质。钢铝混合结构不同于常规船舶结构,其声学性能具有自身的特点。本文以此为研究对象,就以下方面内容展开了研究。
　　首先研究加筋铝板、加筋钢板的隔声特性。运用统计能量分析方法,推导出加筋板声传输函数,采用VAOne中SEA模块对加筋铝板和加筋钢板声传输损失进行了研究,建立了加筋板隔声计算的通用模型。仿真结果与试验数据进行了比较,证明了本文采用的加筋板声传输计算模型来研究其隔声特性的有效性。在此基础上还分析相关参数对加筋铝板声传输的影响。这对船舶加筋板的隔声设计提供了一定参考,尤其对铝合金上层建筑舱壁和隔声护板的声学设计具有指导意义。采用波动理论对弹性波在线形和L形钢铝混合连接的传播规律进行理论分析,并利用matlab对传播参数进行了数值计算,计算的结果符合相关的科学规律以及与前人的研究结论相一致,研究得到钢铝混合结构连接弹性波传递的规律与匀质接头有较大差异性。在此基础上提出了一些增大振动弹性波传递损失的措施和建议。在振动控制方面主要采用模态法和有限元方法对阻尼被动控制优化展开研究。比较阻尼连续敷设和间断敷设的减振效果,分析了阻尼的敷设位置和厚度等参数对振动响应的影响,提出了优化方法,得到了相应优化目标下阻尼敷设的最佳位置和最佳厚度。在舱室噪声控制方面,首先分析了在声波传递路径上敷设自由阻尼和约束阻尼对船舶舱室噪声的影响,对三种常见的复合吸声材料的厚度对吸声效果的影响进行了研究,并对他们组合的多层吸声结构应用于实船后的舱室声压级做了预报,提出了几种较优的组合结构形式,并分析了他们的吸声频率特性。这些研究对结构的声学设计具有一定的参考价值。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景、意义及目的

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义及目的

1.2 国内外船舶结构声振研究进展

1.2.1 结构声振国内外研究方法概述

1.2.2 国内外声振控制方法研究进展

1.2.3 高速船结构声振预报及控制研究进展

1.3 文章结构与主要内容

第2章 结构声振基础理论

2.1 声学基本术语

2.1.1 声学量级

2.1.2 计权声级

2.1.3 噪声频程

2.2 船舶结构中的弹性波

2.2.1 弹性波概述

2.2.2 杆中的弹性波

2.2.3 板中的弹性波

2.2.4 圆柱壳体中的弹性波

2.3 船体结构的振动声学特性

2.3.1 船体结构的机械阻力

2.3.2 船体结构的声振传导

2.3.3 船体结构声振损耗

2.3.4 船体结构的声振隔离

2.4 船舶的声振振动源及其传递路径控制

2.4.1 船舶的声振动源及声振传递路径

2.4.2 降低船体声振传递的方法措施

2.5 本章小结

第3章 加筋板结构声传递仿真研究

3.1 结构隔声概述

3.1.1 隔声的定义

3.1.2 影响结构构件隔声的主要因素

3.2 单层薄板的隔声

3.2.1 整体振动的无限大单层匀质薄板的隔声

3.2.2 无限大薄板低频隔声

3.2.3 有限大单层匀质薄板的总体隔声

3.3 加筋板声传输研究及仿真

3.3.1 加筋板声传输概述

3.3.2 声—结构耦合系统声传输SEA分析

3.3.3 声—结构耦合系统内损耗因子和耦合损耗因子

3.4 基于SEA的结构声传输损失VAONE仿真分析

3.4.1 VAOne声传输损失模型介绍

3.4.2 加筋板声传输损失仿真模型可靠性验证

3.4.3 加筋板声传输损失VAOne仿真分析

3.5 本章小结

第4章 振动弹性波在混合连接传播特性研究

4.1 振动弹性波在混合材质板线形连接传播

4.1.1 弯曲波在混合材质板线形连接传播

4.1.2 纵波在混合材质板线形连接的传播

4.2 弹性波在混合材质板L形连接的传播

4.2.1 弯曲波在混合材质板L形连接入的传播

4.2.2 纵波在混合材质板L形连接的传播

4.3 低频振动弯曲波传播及控制

4.4 本章小结

第5章 振动阻尼被动控制及优化

5.1 引言

5.2 阻尼基本性质

5.2.1 阻尼减振机理

5.2.2 阻尼结构损耗系数

5.2.3 阻尼材料的频变特性和温变特性

5.3 频域下敷设粘弹性阻尼材料板的振动响应有限元方程

5.3.1 阻尼板单元刚度矩阵

5.3.2 阻尼结构有限元动力学方程

5.4 阻尼参数对自由阻尼结构振动响应的影响

5.4.1 自由阻尼结构振动仿真模型

5.4.2 阻尼材料模量对匀质板振动响应的影响

5.4.3 阻尼损耗因子对匀质板振动响应的影响

5.4.4 阻尼层厚度对匀质板振动响应的影响

5.4.5 不同阻尼敷设位置对匀质板振动响应的影响

5.5 自由阻尼振动控制优化

5.5.1 基于振动模态的阻尼控制优化数学模型

5.5.2 自由阻尼振动控制仿真及优化

5.6 实船舱室噪声预报及控制

5.6.1 实船SEA建模

5.6.2 船舶舱室噪声声压级预报与衰减规律

5.6.3 居住舱室和工作舱室能量输入

5.6.4 结构声振传递分析

5.6.5 传递路径上阻尼振动控制对舱室噪声的影响

5.6.6 舱室吸声控制及多层复合吸声结构方案优化

5.7 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 本文创新点

6.3 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研工作和论文发表情况