加强筋对板类工程结构振声响应特性的影响及应用研究

摘要

筋板结构具有质量轻、刚度大、抗冲击性良好等优点，因此被广泛地应用于汽车、高铁、船舶及航空航天器等舱室结构。但筋板结构在外部激励下易产生振动与噪声，严重影响了交通工具舱室内外的舒适性。为了解决这一问题，众多学者运用理论、仿真及实验等分析方法，对筋板结构的振动声学特性进行了大量的研究并取得了丰硕的成果。但现有研究的重点多集中于研究方法对于其振声响应特性预测的有效性和准确性，而对筋板参数变化所引起的振声特性变化规律缺乏总结，尤其是缺乏加强筋对于筋板结构振动特性及声辐射特性影响规律的对比分析研究。同时，对于加强筋数目较多、结构尺寸较大的筋板结构，振声分析耗时长的问题仍然存在。
　　针对以上问题，本文首先总结了梁、板在非耦合状态下振动及声辐射特性的基本理论，以欧拉梁及简支薄板为例，分别推导了梁、板结构在点激励下的振动响应，并通过解析结果与有限元结果的对比分析，对数例模型进行了验证。进而结合振动体表面声辐射计算方法，给出了梁、板结构声辐射模态及声辐射效率的分析方法，并重点比较了各阶振型下声辐射模态的异同。
　　以此为基础，利用子结构的传递矩阵法，将加强筋及平板的振动视为模态叠加的形式，根据筋板连接位置处力及位移的连续性，给出了不同连接条件下，筋板结构的振动特性理论计算方法及有限元证明。重点讨论了加强筋参数变化对筋板结构振动特性的影响。同时，针对多筋结构计算耗时长的问题，提出了振动响应简化计算的方法。通过讨论加强筋间距、筋板间连接点数目、筋板间动态特性差异以及激励点位置对振动响应的影响，对简化计算的适用条件及精度误差进行了分析。
　　在筋板结构振动响应的基础上，本文给出了筋板结构辐射声功率及声辐射效率计算方法，重点讨论了加强筋参数变化对结构表面速度、辐射声功率及声辐射效率的影响。对比了加强筋参数变化对筋板组合结构振动及声学特性影响规律的异同。最后，在筋板结构的振动及声学实验中，使用了直接测量法及半解析方法获得辐射声功率。通过对比两种方法，证明了由结构表面速度获得辐射声功率的可行性，验证了理论推导中加强筋参数变化的分析结果。
　　对筋板结构模型的数例仿真及实验结果表明:振动方面，相比于加强筋的质量变化，其刚度变化对固有频率的影响更为复杂且对振动响应的影响更为明显。同时，加强筋与激励点之间的相对位置关系对整体结构的振动响应影响显著。通常情况下，激励靠近加强筋时，筋板结构的均方速度更小。对于简化计算的精度，筋板间动态特性差异、耦合强度及分析频率的影响占主导地位，且随着激励点位置的不同，其影响也有所差异:当激励位于加强筋上时，筋板间动态特性差异越大，误差越小;当激励位于平板上时，所得结论相反。声辐射方面，相比于平板，筋板结构整体的辐射声功率会下降，但由于声辐射效率的提升，部分频段内的辐射声功率反而增加;相比于对结构振动响应的影响，加强筋参数变化对辐射声功率的影响更小。本文所做理论推导选取简支、结构简单的筋板结构;实验所用边界接近固支。不同方法所反映出加强筋影响规律有较好的一致性，因此所得结论有向复杂边界及结构推广的可能。

目录

声明

图录

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 筋板组合结构振动特性研究

1．2．2 筋板组合结构声学特性研究

1．3 本文研究内容

第2章 简单结构的振动及声辐射特性

2．1 梁及板结构的振动特性

2．1．1 有限梁结构的振动特性

2．1．2 有限板结构的振动特性

2．2 梁及板结构的声辐射特性

2．2．1 振动结构表面的声辐射计算

2．2．2 单一振动模态下的声辐射

2．2．3 多模态振动下的声辐射

2．3 声辐射模态

2．3．1 表面振动表达为单元格形式(acoustic radiation modes)

2．3．2 振动模态表达形式(structure-dependent radiation modes)

2．3．3 振动体的声辐射效率

2．4 梁、板结构的数例仿真

第3章 加强筋对板结构振动特性影响分析

3．1 组合结构理论推导

3．1．1 离散连接

3．1．2 连续连接

3．2 加强筋参数对结构振动特性影响分析

3．2．1 结构参数

3．2．2 位置参数

3．3 简化计算方法及适用条件

3．3．1 离散连接条件下的简化计算

3．3．2 连续连接条件下的简化计算

3．3．3 简化计算适用条件

第4章 筋板组合结构的声辐射特性分析

4．1 加筋板声辐射计算方法

4．2 加强筋对结构声辐射影响分析

4．2．1 加强筋对单一振动模态声辐射影响

4．2．2 加强筋对结构总体声辐射影响

第5章 筋板组合结构振动及声辐射实验验证

5．1 实验对象及实验方法

5．2 实验结果及分析

5．2．1 平板的摄动及声学测试

5．2．2 加筋板的振动及声学测试

第6章 总结与展望

6．1 研究内容总结

6．2 论文创新点

6．3 问题与展望

附录

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文