復(fù)雜殼體耦合系統(tǒng)振聲特性及其主動隔振策略研究.pdf

1、動力機(jī)械是水下航行器的主要振動源之一，其在工作時產(chǎn)生的振動將傳遞給基礎(chǔ)，并通過殼體向外界流體介質(zhì)產(chǎn)生聲輻射，嚴(yán)重影響艦船的安全隱蔽性。主動隔振可以有效降低殼體結(jié)構(gòu)振動和對外聲輻射，在艦船減振降噪領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。然而，此方面的現(xiàn)有研究將主動隔振系統(tǒng)與船體結(jié)構(gòu)振動聲輻射問題分開來獨立研究，極大地制約了此類問題的進(jìn)一步研究和實際應(yīng)用。本文結(jié)合實際的水下航行器結(jié)構(gòu)，建立了雙層主動隔振-殼體-外界流場耦合系統(tǒng)的分析和控制理論模型，基于對該

2、模型的理論分析、仿真和試驗研究，進(jìn)一步探討耦合系統(tǒng)的振動能量傳遞特性及主動隔振對殼體聲輻射的控制機(jī)理，以期為水下航行器主動隔振系統(tǒng)-殼體結(jié)構(gòu)-聲輻射的分析、主動隔振系統(tǒng)的設(shè)計和機(jī)械噪聲的主動控制提供扎實可靠的理論依據(jù)和方法參考。本文開展的具體工作如下：
　　基于改進(jìn)的Fourier級數(shù)法與譜單元方法，提出了一種復(fù)雜殼體組合結(jié)構(gòu)的一般建模方法并建立了具有錐殼、加筋圓柱殼、球殼、艙室隔板、矩形板的殼體模型。該方法對彈性結(jié)構(gòu)位移分量采用

3、統(tǒng)一的容許函數(shù)進(jìn)行描述，并利用三維彈性耦合器構(gòu)建組合結(jié)構(gòu)的位移和力協(xié)調(diào)關(guān)系，這樣既可以更為切合實際地建立具有一般彈性邊界和耦合條件的組合殼體模型，又可以提升具有重復(fù)單元的組合結(jié)構(gòu)的建模效率，具有重要的實際應(yīng)用和推廣價值。通過與數(shù)值軟件及現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果相比較，驗證了本文方法的準(zhǔn)確性和收斂性，并分析了耦合系統(tǒng)剛度系數(shù)、艙室隔板、加強(qiáng)環(huán)筋對結(jié)構(gòu)振動特性的影響及強(qiáng)迫振動時各子結(jié)構(gòu)間的振動傳遞特性。設(shè)計并搭建了板殼組合結(jié)構(gòu)的試驗臺架，通過測取殼體結(jié)

4、構(gòu)的頻響函數(shù)驗證了本文方法的準(zhǔn)確性。
　　建立了的雙層隔振-殼體耦合系統(tǒng)的動力學(xué)分析模型。該理論模型中同時融合了經(jīng)典的剛體-剛體、剛體-彈性體耦合及本文提出的彈性體-彈性體耦合處理方法，可以在根本上以振型耦合的角度解讀耦合系統(tǒng)振動傳遞的物理本質(zhì)，為實際中隔振系統(tǒng)的設(shè)計及振動預(yù)報提供可靠的理論分析模型。搭建雙層隔振-板殼組合結(jié)構(gòu)的試驗平臺，從試驗的角度驗證了該理論分析模型的準(zhǔn)確性。結(jié)合耦合系統(tǒng)固有特性分析，開展耦合系統(tǒng)的功率流傳遞特

5、性和殼體結(jié)構(gòu)動能的分布規(guī)律研究，并綜合考察隔振器對耦合系統(tǒng)振動傳遞特性的影響機(jī)理。
　　建立了雙層隔振-殼體耦合系統(tǒng)的主動控制模型。從耦合系統(tǒng)振動傳遞及在殼體上的振動分布兩個角度，分別設(shè)計了功率流最小化及結(jié)構(gòu)動能最小化主動控制策略?？紤]初級激勵力的不同形式，綜合分析主動作動器的安裝位置及數(shù)目對兩種策略控制效果的影響。結(jié)合殼體結(jié)構(gòu)動能在各子結(jié)構(gòu)上的分布規(guī)律，設(shè)計了的結(jié)構(gòu)動能最小化控制的優(yōu)化策略，并以結(jié)構(gòu)動能為參考評估各優(yōu)化策略的控制

6、效果。通過加權(quán)矩陣的方法構(gòu)建受約束控制方案，并分析該方案對耦合系統(tǒng)振動傳遞的控制效果，使得本文的研究更具有實際應(yīng)用價值。
　　提出了一種將改進(jìn)的Fourier級數(shù)法與直接邊界元法相結(jié)合的聲固耦合方法，建立了水下航行器殼體結(jié)構(gòu)的流固耦合分析模型。該方法的建模過程對外界流體介質(zhì)、殼體結(jié)構(gòu)類型及耦合和邊界條件進(jìn)行了一般化地描述，因而在復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)的聲振特性分析領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。通過與數(shù)值軟件結(jié)果相比較，驗證了該方法的準(zhǔn)確性和收斂性

7、。結(jié)合水下航行器殼體設(shè)計中存在的實際問題，深入分析外界流體介質(zhì)、內(nèi)部艙室隔板、加強(qiáng)環(huán)筋、雙層隔振系統(tǒng)對復(fù)雜殼體組合結(jié)構(gòu)振聲傳遞特性的影響機(jī)理，為殼體結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。
　　建立了雙層主動隔振-殼體-外界流場耦合系統(tǒng)的分析模型。該模型將主動隔振、復(fù)雜殼體組合結(jié)構(gòu)及外界流體介質(zhì)組成了有機(jī)統(tǒng)一的整體，對整體系統(tǒng)的分析將有利于準(zhǔn)確把握各部分振動傳遞和聲輻射機(jī)理。設(shè)計了以殼體聲輻射為目標(biāo)的聲功率最小化控制策略，綜合分析初級激