薄板结构的振动功率流特性研究

摘要

随着现代工业的高速发展，对飞机，舰艇，船舶等结构的强度、自重以及振动与噪声等方面提出了较高要求，复合材料由于具有高的比强度、比刚度和抗疲劳性、可设计性等优良性能，这就使层合板结构等复合材料构件得到了广泛的应用。在工程应用中，层合板结构等薄板结构必然会因受到激励而产生振动，层合板结构的振动易导致整个航空结构产生损伤。振动功率流是一个理想的反映结构振动能量在结构中传递的物理量，因此研究复合材料结构的振动功率流特性，对航空航天领域等结构的减振降噪与损伤探测具有重要的指导意义。本文主要对复合材料层合板结构等薄板结构的振动功率流特性进行了理论研究。
　　首先，对薄板结构的振动功率流的数值解进行了理论计算。在基本假设的基础之上，建立了薄板结构的有限元模型。引入了振动功率流的概念并加以重点阐述，求解了矩形单元的刚度矩阵和质量矩阵，并以板壳单元为例，推导了该种单元的结构声强，对结构声强在板厚方向进行积分，进而得出薄板结构的振动功率流。在计算得到功率流的数值解后，绘制出了前几阶频率下的功率流的矢量场分布图。对振动能量在薄板结构表面的分布以及传播实现了可视化，并对比分析了四边简支和四边固支边界条件下的功率流矢量场分布图。
　　其次，以复合材料层合板结构为研究对象，基于一阶剪切理论建立了不同于单层薄板结构的有限元模型。详细介绍了利用振型叠加法来计算层合板结构的动态响应的过程，推导了位移与内力等与功率流相关量的计算公式。
　　最后，对受迫振动下的复合材料层合板结构的振动功率流特性进行了研究。利用MATLAB软件计算了已有算例的层合板结构的固有频率，结果表明：本文推导的公式及编写的程序是可靠的。接着同时对比分析了分别在四边简支以及四边固支条件下，改变激励点位置以及层合板纤维铺设角度、跨厚比和弹性模量比等结构参数对振动功率流数值结果的影响。结果表明：纤维铺设角度和跨厚比对振动功率流的影响明显。

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第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及发展

1.3 层合板结构动力学模型

1.4 论文的结构安排

第2章 基于有限元的板壳结构振动功率流特性分析

2.1 前言

2.2 薄板结构的有限元模型

2.3 振动功率流的概念

2.4 板壳单元的振动功率流

2.5 功率流的矢量场分布图

2.6 数值分析与讨论

2.7 本章小结

第3章 基于一阶剪切理论的层合板结构有限元模型

3.1 前言

3.2 一阶剪切理论模型简介

3.3 层合板结构动态响应分析

3.4 本章小结

第4章 层合板结构的振动功率流数值分析

4.1 前言

4.2 无阻尼自由振动分析

4.3 振动功率流数值分析与讨论

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的主要论文

致谢

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