粘彈性復合材料結(jié)構(gòu)水中振動和聲輻射特性研究.pdf

1、目前,國際上對復合材料結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性、疲勞等問題以及加工工藝、粘接技術(shù)等的研究已經(jīng)非常深入,并在船舶結(jié)構(gòu)上進行了應(yīng)用。在船舶與海洋工程領(lǐng)域,國內(nèi)對復合材料各方面的研究還不夠深入,與國際先進水平還有一定的差距；復合材料在船舶與海洋結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用方面更是相當薄弱。因此,開展復合材料結(jié)構(gòu)在船舶與海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用方面的研究具有非常重要的理論和實際意義。 由于水中結(jié)構(gòu)振動與聲輻射研究內(nèi)容的敏感性,從國內(nèi)外搜集的文獻資料來看,關(guān)于復合材料

2、結(jié)構(gòu)水中振動和聲輻射方面的研究資料非常少見,尤其很難找到關(guān)于復合材料結(jié)構(gòu)聲輻射方面公開發(fā)表的研究資料。從工程應(yīng)用角度來看,復合材料結(jié)構(gòu)聲輻射的特性是需要進一步深化認識的,因此對復合材料結(jié)構(gòu)聲輻射特性方面的研究是非常值得開展的。由于水中結(jié)構(gòu)振動與聲輻射研究內(nèi)容的敏感性,從國內(nèi)外搜集的文獻資料來看,關(guān)于復合材料結(jié)構(gòu)水中振動和聲輻射方面的研究資料非常少見。從工程應(yīng)用角度來看,復合材料結(jié)構(gòu)聲輻射的特性是需要進一步深化認識的,因此對復合材料結(jié)構(gòu)聲

3、輻射特性方面的研究是非常值得開展的。本文的目的在于通過對復合材料結(jié)構(gòu)在水中振動和聲輻射特性的研究,探討復合材料結(jié)構(gòu)水中振動和聲輻射的特征與機理,尋求有效的數(shù)值計算方法,研究復合材料自身具有的各向異性和粘彈性特性對水中結(jié)構(gòu)振動和聲輻射的影響,從隔聲方面探索復合材料結(jié)構(gòu)在新型艦船上的應(yīng)用前景。這不僅在理論上是對復合材料結(jié)構(gòu)動力學的豐富,為復合材料結(jié)構(gòu)的聲學設(shè)計提供合適的計算方法及理論依據(jù),并且為包括航空航天、石油化工等在內(nèi)的軍用和民用工程領(lǐng)

4、域中復合材料結(jié)構(gòu)的聲學設(shè)計工作同樣具有重要的指導意義。由于國內(nèi)外這方面研究內(nèi)容的缺乏,本文開展的復合材料結(jié)構(gòu)水中振動和聲輻射方面的研究,無論從理論上還是工程應(yīng)用角度,論文的選題都具有很強的創(chuàng)新性。 本論文采用結(jié)構(gòu)有限元法和聲學邊界元法,對水中復合材料結(jié)構(gòu)的振動和聲學特性進行了研究。分析在典型應(yīng)用條件下,復合材料板或殼體結(jié)構(gòu)受機械激勵與流場聲激勵時水中聲輻射的特性及復合材料各向異性和粘彈性阻尼特性對結(jié)構(gòu)振動與聲學特性的影響。為復合

5、材料結(jié)構(gòu)的聲學設(shè)計提供相應(yīng)的數(shù)值計算方法和理論依據(jù)。從振動和聲輻射方面探索復合材料結(jié)構(gòu)在艦船上的應(yīng)用前景。 首先,本文全面回顧了各向異性粘彈性復合材料和復合材料夾層板結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性以及水中結(jié)構(gòu)聲輻射的研究現(xiàn)狀,比較了各種數(shù)值方法的優(yōu)缺點,對目前的研究熱點和研究趨勢作了全面的總結(jié)。 板是工程中重要的結(jié)構(gòu)形式之一,早期的板單元大多基于經(jīng)典的薄板理論,這種理論沒有計及板的橫向剪切變形,采用這一理論分析板結(jié)構(gòu)的高階振動時頻率偏高

6、。由于實際應(yīng)用的復合材料層合結(jié)構(gòu)其厚度較大,而橫向剪切剛度較小,因此采用經(jīng)典薄板理論來分析復合材料板殼結(jié)構(gòu)振動問題顯得不足。本文基于一階剪切理論(FSDT),構(gòu)造了適用于任意鋪設(shè)情形的四邊形和三角形復合材料層合板殼單元,用以分析復合材料結(jié)構(gòu)和的振動問題。采用復模量來分析復合材料的粘彈性阻尼特性。由于FSDT 單元的撓度和轉(zhuǎn)角獨立插值,當分析薄板時會出現(xiàn)嚴重的剪切閉鎖問題,使解答不準確。本文從無剪切閉鎖的 Timoshenko層合厚梁理論

7、出發(fā),根據(jù)厚梁位移確定單元邊界的剪應(yīng)變,再確定單元的增補位移場(由于剪切變形所引起的附加位移場),并將增補位移場疊加到薄板位移場中去,以此構(gòu)造厚板單元。當厚板趨于薄板時,增補位移場自動趨于零(由 Timoshenko梁函數(shù)控制),單元自動退化為原來的薄板單元,從而從根本上避免了FSDT 板單元當板厚變小時的剪切閉鎖問題。 以往的央層板理論大多僅考慮了芯層材料的橫向剪切應(yīng)變和應(yīng)力,而很少考慮芯層的橫向正應(yīng)變和正應(yīng)力。夾層板的芯層

8、與面板相比,其厚度要大很多,而其彈性模量則要小很多,很容易產(chǎn)生橫向壓縮或拉伸變形。因此忽略芯層橫向正應(yīng)力和正應(yīng)變的夾層板理論是不太合理的。同時,對于夾層板結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)在低頻時主要以彎曲振動的形式向外輻射噪聲,當結(jié)構(gòu)受到高頻激勵時,結(jié)構(gòu)會以壓縮波的形式向外輻射噪聲.以往的夾層板理論由于忽略了芯層的橫向正應(yīng)變,將不能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的橫向振動模式,這與實際結(jié)構(gòu)是不相符合的。為了消除這一不足,本文構(gòu)造了一個復合材料夾層板單元,該單元的面板和芯層均為粘彈

9、性材料,夾層板的上下面板采用上述的FSDT單元以及層合板理論進行分析；假定芯層的位移沿厚度方向線性變化,并用上下面板的自由度表示,最終形成以上下面板自由度表示的系統(tǒng)總的運動方程。該單元可以體現(xiàn)夾層結(jié)構(gòu)的橫向壓縮變形。數(shù)值計算結(jié)果表明:無論對于靜力問題、動力問題還是聲輻射等問題,考慮芯層的橫向壓縮變形是合理的,也是有必要的。 邊界元法是聲學計算的有效的數(shù)值方法,只需對邊界進行離散,由于基本解自動滿足無窮遠處的輻射邊界條件,對求解無

10、限域問題非常有效。但聲學邊界元法本身也存在特征頻率處解不唯一和超奇異積分等問題。本文采用常值的三角形或四邊形面元對結(jié)構(gòu)的邊界進行離散,采用復合邊界元法(CHIE)來消除特征頻率處解不唯一的問題,由此帶來的超奇異數(shù)值積分則采用解析的方法將面積分轉(zhuǎn)化成沿單元邊界的線積分來克服。此外,將聲學邊界元法和上述結(jié)構(gòu)有限元法相結(jié)合,建立了彈性結(jié)構(gòu)在聲場中的耦合振動和結(jié)構(gòu)聲透射的數(shù)值計算模型。 聲學直接邊界元法在計算諸如平板等非封閉結(jié)構(gòu)時,需要

11、在結(jié)構(gòu)的所有表面均進行離散,對于厚度較小的結(jié)構(gòu),上下表面均離散的直接邊界元法會導致數(shù)值積分奇異的困難。另一種計算開口結(jié)構(gòu)聲學問題的方法是采用以聲壓差作為未知量的間接邊界元法,但間接邊界元法的公式在推導過程中假定結(jié)構(gòu)的厚度很小、而且上下表面的法向量和速度大小相等。只要上述條件中有一個不滿足,間接邊界元法就無法應(yīng)用。本文所研究的復合材料夾層結(jié)構(gòu),由于考慮了芯層的橫向壓縮變形,結(jié)構(gòu)兩表面的振動速度必然不相等。因此計算本文夾層板形式的開口結(jié)構(gòu)聲

12、學問題時,不能采用間接邊界元法.針對上述不足,本文提出一種計算開口結(jié)構(gòu)聲輻射問題的虛擬邊界法:在開口結(jié)構(gòu)上人為地加上邊界,使其成為一個或多個相互獨立的封閉結(jié)構(gòu),對這樣的封閉結(jié)構(gòu)分內(nèi)外聲場分別建立方程,并利用虛擬邊界上的壓力和速度連續(xù)條件聯(lián)立求解,從而避免了間接邊界元和直接邊界元法計算開口結(jié)構(gòu)聲輻射問題時存在的缺陷,為開口結(jié)構(gòu)的聲學計算提供了一種有效的數(shù)值方法。同時采用本文的方法還可以同時得到聲場中非物面邊界上質(zhì)點的振動速度和壓力,這是常