星箭结构的动力学建模方法与声-固耦合动响应分析研究

摘要

航天器在发射和服役时面临复杂的振动和噪声动力学环境，而准确的动力学声振环境预示是指导航天器总体设计、结构设计、以及地面试验方案与试验条件制定的重要依据。本文以星箭结构为研究对象，重点开展三方面的研究工作:研究星箭结构的动力学建模方法，建立能较为准确反映结构动力学特性的模型;研究星箭结构的声-固耦合动响应预示方法，揭示声振环境下的动响应规律;研究整流罩结构的声传递特性，为星箭结构的优化设计以及减振降噪设计提供指导。
　　准确的动力学模型是后续声-固耦合响应预示的基础。首先开展星箭结构中典型的包带连接的等效建模方法研究，推导包带连接结构在不同预紧力下的轴向刚度，并探讨包带连接结构轴向刚度对星箭结构固有特性的影响。然后针对运载火箭整流罩中常用的蜂窝夹芯结构，分别采用等效板理论和三明治夹芯板理论进行等效建模，分析蜂窝夹芯板和等效板在平面波作用下考虑声-固耦合时的传声损失和声辐射响应，研究等效模型在动力学分析时的精度与效率，从而探索一种适用于大型航天器结构声学分析以及动响应分析的等效建模方法。
　　准确的声-固耦合动响应预示是后续动强度评估的基础。基于FEM-BEM法分别进行随机振动激励、噪声激励以及随机振动/噪声联合作用等复合激励下星箭结构的声-固耦合动响应预示研究。给出不同激励下的声振响应规律，探讨不同激励成分对结构动响应的贡献，并重点研究耦合效应以及包带连接刚度对结构固有特性和动响应的影响。
　　准确的星箭力学环境是进行星箭结构动响应预示和声学优化设计的基础。针对运载火箭整流罩典型薄壁圆柱壳结构，基于Love理论给出薄壁圆柱壳的声传递表达式，分析柱状声波作用下的声传递损失以及声辐射响应，探讨整流罩壁厚、肋骨数目以及飞行角度对整流罩传声损失以及声辐射的影响。基于声传递向量法进行整流罩结构的声学板块贡献量分析，重点分析场点处声压响应在各频带内的分布，以及在特定频率处结构各板块的贡献量。此研究对结构的优化设计以及减振降噪设计具有一定的指导作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 航天器等效建模方法的研究现状

1．2．2 航天器声振响应预示分析方法的研究现状

1．2．3 声传递损失的研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 星箭结构动力学建模方法研究

2．1 引言

2．2 包带连接结构的等效线性化建模方法研究

2．2．1 包带机构及其建模现状

2．2．2 包带连接结构力学分析

2．2．3 包带连接结构的轴向刚度研究

2．2．4 算例研究

2．3 蜂窝夹芯板的等效建模方法研究

2．3．1 蜂窝夹层板结构力学等效方法

2．3．2 蜂窝夹芯版的声传递损失

2．3．3 算例研究

2．3．4 结果比较分析

2．4 本章小结

第3章 星箭结构声-固耦合动响应分析

3．1 引言

3．2 有限元-边界元基本理论

3．3 星箭结构固有特性分析

3．3．1 星箭结构声-固耦合动力学模型

3．3．2 模态分析

3．4 星箭结构动响应分析

3．4．1 载荷与边界条件

3．4．2 随机基础激励下的星箭结构的声-固耦合分析

3．4．3 噪声激励星箭结构的声-固耦合分析

3．4．4 随机基础激励／噪声联合作用下星箭结构的声-固耦合分析

3．4．5 耦合效应对星箭结构动响应的影响

3．4．6 包带连接刚度对星箭结构动响应的影响

3．5 本章小结

第4章 星箭结构声传递特性研究

4．1 引言

4．2 薄壁圆柱壳的声传递损失

4．3 系统参数对星箭整流罩结构传声损失的影响

4．3．1 整流罩壁厚对星箭整流罩结构传声损失的影响

4．3．2 整流罩肋骨对星箭整流罩结构传声损失的影响

4．3．3 飞行角度对星箭整流罩结构传声损失的影响

4．4 考虑传声损失后整流罩内声场的辐射响应

4．4．1 基本理论

4．4．2 整流罩内声场响应分析

4．4．3 声学板块贡献量分析

4．5 本章小结

第5章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果