（多層復(fù)合）圓柱殼體的振動和聲輻射研究.pdf

1、圓柱殼體的振動和聲輻射問題是水下海洋結(jié)構(gòu)物研究的一個重要組成部分。在過去的幾十年里，很多研究致力于相關(guān)主題，其中有三個主題很重要，歸納如下： (1)結(jié)構(gòu)和其周圍的聲學(xué)流體構(gòu)成了一個反饋嵌套，即：結(jié)構(gòu)的振動可以誘發(fā)聲學(xué)流體的擾動，振動的能量得以向外輻射；反過來，聲學(xué)流體分別以輻射阻尼和附加質(zhì)量的形式對結(jié)構(gòu)有反作用，并且改變了結(jié)構(gòu)的振動；如此往復(fù)。在過去的幾十年里，更多的注意放在如何分析此類耦合系統(tǒng)的振動和聲學(xué)特性等問題上，而結(jié)構(gòu)和

2、附連聲學(xué)介質(zhì)之間的相互作用力特性以及各子結(jié)構(gòu)之間的相互作用力特性還沒有充分地研究；而且，其在何種程度上影響系統(tǒng)的振動和聲輻射等問題對更好地理解的相關(guān)問題背后的潛在機理很有指導(dǎo)意義。 (2)殼體和其內(nèi)部的子結(jié)構(gòu)之間的相互作用在整個結(jié)構(gòu)的振動和聲學(xué)特性中起著重要作用。在其間的連接處，結(jié)構(gòu)波會發(fā)生反射，折射，甚至波型之間發(fā)生轉(zhuǎn)換，其綜合的結(jié)果就是導(dǎo)致殼體中彈性波共振頻率的改變。相應(yīng)地，整個結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)必然和沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的殼體的響應(yīng)不

3、同，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)的存在可以在整個結(jié)構(gòu)的聲學(xué)信號中顯現(xiàn)出來?；谏鲜隼碛?，針對相應(yīng)問題的進一步研究仍然很有必要。 (3)復(fù)合材料由于有很優(yōu)良的屬性，比如其可以比大多數(shù)金屬材料有更輕的重量，更高的強度和強度，因而經(jīng)常用來建造圓柱殼體。和均質(zhì)殼體相比，多層復(fù)合殼體的振動和聲輻射問題更復(fù)雜一點，而且，其獨特的材料屬性將在殼體的振動和聲輻射中扮演何種重要的角色，類似的問題還沒有很好的回答。 在很多工程領(lǐng)域，特別是在船舶與海洋工程中

4、，上述問題是設(shè)計工程師和研究人員很感興趣的?；谏鲜隼碛?，本文從(復(fù)合)殼體結(jié)構(gòu)和聲學(xué)流體相互作用的基本問題出發(fā)，采用近似法和解析法研究有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的(復(fù)合)殼體的振動和聲輻射問題，通過討論內(nèi)部結(jié)構(gòu)、流體載荷以及復(fù)合材料的材料屬性對系統(tǒng)振動和聲輻射的影響，深入分析水下(復(fù)合)殼體的振動和聲輻射特性，從而為相關(guān)領(lǐng)域的工程師和研究人員提供指導(dǎo)性建議；為此，本文做了如下工作： (1)用拉格朗日方程和拉格朗日乘子法相結(jié)合的方法建立有流體負(fù)

5、載的，有內(nèi)部平板連接的有限長圓柱殼體的振動控制方程。推導(dǎo)板殼之間剛性和鉸接的廣義的約束方程，根據(jù)諾伊曼邊界條件以格林函數(shù)的形式描述聲學(xué)介質(zhì)對有限殼體的廣義壓力。 (2)理論研究點激勵的，有流體負(fù)載的雙周期圓環(huán)加強的多層復(fù)合圓柱殼體的聲輻射問題。該理論基于經(jīng)典的多層復(fù)合殼體理論，亥姆霍茲方程，以及殼體－流體交界面，殼體－圓環(huán)連接出的邊界條件，還有無窮遠(yuǎn)輻射條件。殼體和圓環(huán)只通過法向力相互作用。殼體在波數(shù)域上的徑向位移采用梅斯處理無

6、限大平板的方法求出，遠(yuǎn)場聲壓采用穩(wěn)相法解出。通過數(shù)值結(jié)果討論殼體層疊方案、泊松系數(shù)和鋪設(shè)角對遠(yuǎn)場聲輻射的影響；并采用螺旋波譜來分析多層復(fù)合殼體內(nèi)部周期圓環(huán)、鋪設(shè)角對殼體振動特征的影響。 (3)推導(dǎo)流體負(fù)載下，多層復(fù)合圓柱殼體在三種類型機械激勵(即：沿著面內(nèi)和徑向的點力、環(huán)力及均勻分布的局部面力)作用下的振動和遠(yuǎn)場聲輻射解析表達(dá)式。該理論基于經(jīng)典的多層復(fù)合殼體理論，亥姆霍茲方程，以及殼體－流體交界面，殼體－圓環(huán)連接出的邊界條件，還

7、有無窮遠(yuǎn)輻射條件。采用傅立葉變換技術(shù)求殼體的響應(yīng)，采用穩(wěn)相法來求遠(yuǎn)場聲壓。通過殼體在不同類型機械激勵下的遠(yuǎn)場聲輻射的計算結(jié)果，討論多層復(fù)合殼體內(nèi)彎曲波和壓縮波之間的耦合對聲輻射的影響。 (4)推導(dǎo)軸向周期的無限圓柱殼體的流體載荷的漸近表達(dá)式，對足夠大宗量的貝賽爾函數(shù)，該表達(dá)式等于無限平板的流體載荷形式。通過無限圓柱殼體波阻抗的理論結(jié)果和漸近結(jié)果的比較，揭示無限圓柱殼體流體負(fù)載的特性以及板殼聲輻射機理之間的內(nèi)部聯(lián)系。有助于更好地理