考虑时域声辐射特性的曲壳结构优化设计

摘要

噪声污染作为一种环境污染问题严重影响人们的身心健康，给人们的生产生活造成困扰，这一现象正逐渐受到社会的高度关注。曲壳结构在建筑、机械等工程结构领域应用广泛，这与其良好空间传力性能密不可分，但同时曲壳结构厚度远小于其他尺寸，在外荷载激励作用下，容易产生振动噪声。因而，曲壳结构振动噪声的研究、减振降噪的优化是具有现实意义的。目前对于曲壳结构的振动声辐射研究大多基于频域的方法进行，在实际工况下，荷载随时间变化情况更为复杂。本文就采用时域分析方法，结合有限元、边界元理论，对曲壳结构在瞬态声场中的振动辐射特性进行分析研究，并做了相应的减振降噪优化设计。主要内容概括如下： 1．建立曲壳结构有限元分析模型，并探索边界元法在声场时域分析中的应用。首先建立8节点曲壳单元，给出8节点单元的插值函数，进而推导出该单元的质量阵与刚度阵；将边界元理论与经典声学理论相结合，求出声场边界积分方程，在时间域与空间域内进行离散化处理，求出辐射声场任意时刻声压控制方程，并用算例检验。 2．单层曲壳结构声辐射响应时域分析及优化设计。在理论分析基础上运用有限元软件建立曲壳结构有限元模型，进行结构动力有限元分析，得出结构表面响应参数，作为边界元法的输入边界条件，进行声学边界元时域分析，求出辐射声场的响应参数结果。接着研究辐射声压对单层曲壳厚度变化的灵敏度，在灵敏度研究基础上对单层曲壳结构进行优化设计，以结构厚度作为设计变量，辐射声场的空间场点声压设为目标函数，结构质量为约束条件，给出优化列式，运用移动渐近线算法进行优化求解，数值算例显示优化后的辐射声压明显减小。 3．层合曲壳结构声辐射响应时域分析及优化设计。在单层曲壳结构的基础上，进行坐标变换和层厚方向的积分，推导层合曲壳结构的有限元方程，对层合曲壳结构进行动力学及辐射声学响应分析。得到响应分析结果后，分析声压对层合曲壳结构铺层厚度的灵敏度。优化阶段，以质量为约束条件，以对称铺层的层合板铺层厚度为设计变量，结构表面声压为目标函数对结构进行优化设计，得到优化后的结构设计参数，优化后声压值明显降低。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 振动辐射声场研究方法与结构优化方法

1.2.1 振动辐射声场研究方法

1.2.2 结构优化设计与求解方法

1.3 振动声辐射分析与优化研究现状

1.4 本文主要研究工作

2 曲壳结构有限元理论与声场边界元时域分析

2.1 曲壳结构有限元基础

2.2 声场边界元理论与时域分析

2.2.1 声场边界元理论

2.2.2 时域分析边界积分方程的离散化

2.2.3 瞬态声压求解列式

2.3 声学评价标准

2.4 数值算例

2.5 时域分析算例

2.6 本章小结

3 单层曲壳结构时域声辐射响应分析与优化设计

3.1 结构动力响应分析

3.2 声辐射响应分析

3.2.1 声辐射响应求解过程

3.2.2 声辐射响应算例

3.3 辐射声压灵敏度分析

3.3.1 动力响应灵敏度

3.3.2 声学响应灵敏度

3.3.3 声压灵敏度算例

3.4 曲壳结构声辐射优化

3.4.1 优化模型

3.4.2 优化算法

3.4.3 优化流程

3.4.4 优化设计例题

3.5 本章小结

4 层合曲壳结构时域声辐射响应分析与优化设计

4.1 层合曲壳有限元理论

4.2 层合曲壳结构灵敏度分析

4.3 层合曲壳结构优化设计

4.3.1 优化模型

4.3.2 优化流程

4.3.3 优化算例

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢