水中阻尼复合壳体结构声振特性的数值分析

摘要

该文对水中弹性结构、阻尼复合壳体结构的声振特性作了数值分析,完成的主要工作和创新性成果如下:将流体分别视为不可压缩和可压缩建立流固耦合方程,探讨了流体可压缩性对水下结构振动固有特性、振动响应的影响,以及按可压缩/不可压缩流体计算水下结构振动响应对声辐射的影响,并研究了与流体可压缩性影响相关的各种因素.研究结果表明:对于无界流体域中的结构,分别按不可压缩流体和可压缩流体计及流体加载效应,计算水下结构流固耦合振动响应,结果差别较大,特别是在共振区,考虑流体可压缩性后结构振动响应明显减小,并且,由于振动响应的不同会进而影响到声辐射的计算结果,因此,在计算无界流体域中的结构声辐射时,结构振动响应应当按可压缩流体计算.基于耦合有限元/边界元方法,建立了半无限流体域中,特别是与无限大平面接触的水下结构的流固耦合振动方程,探讨了自由液面和刚性壁面对结构的固有频率、振动响应和声辐射的影响,并讨论了板厚、结构阻尼、结构与无限大平面的距离等有关因素.探讨了流体可压缩性对半无限流体域中结构振动的影响.研究结果表明:自由液面和刚性壁面对水中结构振动声辐射均有影响,且与结构刚度、结构与无限大平面的相对距离及激励频率等多个因素有关;对于靠近自由液面的水下结构,由于靠近自由液面的结构在低频区的声辐射效率很低,因此,如果结构刚度较小且靠近水面,则在低频情况下,流体可压缩性对结构的振动响应影响不大,但对于刚度较大的结构,即使在自由液面附近振动,流体可压缩性对结构振动响应的影响也不可忽略.建立了结构在浅水中的声辐射边界积分方程和耦合结构有限元/流体边界元振动方程,探讨了浅水对结构振动固有频率、振动响应和声辐射的影响.研究结果表明:当水深较小时,浅水对水中结构振动的固有频率有明显影响;浅水对结构振动响应和声辐射均有影响,其中对声辐射特性的影响更大且更复杂,即使水深超过结构浸深的10倍,水深变化也会影响到结构的声辐射功率级.将板—块体组合有限元模型与声学边界元结合,建立了阻尼复合壳体结构在力激励作用下的弹性层—粘弹性层—外部声场耦合声振数值计算模型,对敷设阻尼材料的壳体结构在水中的振动声辐射性能作了系统的研究.研究结果表明:敷设粘弹性阻尼层使结构振动响应和声辐射水平明显降低,其减振降噪的效果与阻尼层的厚度、物理参数和外激励频率等密切相关;同未敷设阻尼层的结构相比,敷设粘弹性阻尼层的结构在水中的振动响应和声辐射功率受自由液面和刚性壁面的影响要小得多;与弹性结构比较,流体可压缩性对水中弹性—粘弹性复合结构振动响应的影响要小.针对水中复杂形状的弹性—粘弹性复合结构,将板—块体组合有限元模型与声学边界元(包括内问题和外问题)结合,建立了阻尼复合壳体结构在内场声激励作用下的内部声场—弹性层—粘弹性层—外部声场耦合声振数值计算模型,对壳体内部点声源声场经弹性—粘弹性复合结构向水中透射的传声损失作了研究.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1立题的科学依据及研究意义

1.2水中结构声振特性数值计算的研究进展

1.3本文完成的主要工作

1.4本文各章的主要内容

参考文献

第二章弹性结构振动声辐射计算的基本理论

2.1引言

2.2基于Mindlin板弯曲理论带旋转自由度的板(壳)单元

2.3三维8结点非协调等参元

2.4板-梁组合、板-块体组合有限元模型

2.5结构声辐射和声散射计算的边界元法

2.6结构有限元与流体边界元的耦合方程

2.7小结

参考文献

第三章流体可压缩性对水下结构振动特性的影响

3.1引言

3.2耦合结构有限元/流体边界元法的基本方程

3.3声学物理量的计算

3.4基于共轭子空间迭代算法的双重迭代算法

3.5水下结构固有特性的数值计算

3.6按可压缩/不可压缩流体计算结构振动响应

3.7小结

参考文献

第四章弹性结构在半无限流体域中的声振特性研究

4.1引言

4.2半无限流体域内的声学边界积分方程及流固耦合振动方程

4.3半空间声学边界元程序的验证

4.4水中方箱振动固有特性计算

4.5水中方箱受迫振动响应和声辐射计算

4.6讨论与自由液面和刚性壁面影响相关的因素

4.7不同位置加筋板的声振特性计算

4.8流体可压缩性对半无限域内结构振动的影响

4.9小结

参考文献

第五章弹性结构在浅水中的振动声辐射特性

5.1引言

5.2浅水域声学边界积分方程和流固耦合振动方程

5.3柱岛声辐射的解析表达式

5.4浅水域声学边界元程序的验证

5.5方箱结构在浅水中的固有特性计算

5.6方箱结构在浅水中的受迫振动响应和声辐射计算

5.7小结

参考文献

第六章水中阻尼复合壳体结构的振动声辐射性能

6.1引言

6.2粘弹性材料阻尼的产生机理及数学模型

6.3弹性-粘弹性复合结构的有限元模型

6.4弹性层-粘弹性层-外部声场耦合振动方程

6.5弹性-粘弹性结构动力学分析方法

6.6三维8结点非协调等参元的验证

6.7敷设阻尼层方箱结构的振动固有特性

6.8敷设阻尼层方箱结构的受迫振动响应和声辐射

6.9小结

参考文献

第七章水中阻尼复合壳体结构声透射的数值分析

7.1引言

7.2阻尼复合壳体结构声透射计算的声学模型

7.3阻尼复合壳体结构声透射计算的流固耦合模型

7.4数值算例

7.5小结

参考文献

第八章结论与展望

8.1结论

8.2展望

攻读博士学位期间发表的论文

论文创新点摘要

致谢

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