基于混合模型的中頻振動(dòng)聲學(xué)分析.pdf

1、本文的研究工作由國(guó)家自然基金項(xiàng)目“薄壁結(jié)構(gòu)－聲耦合問(wèn)題的中頻計(jì)算方法研究”（項(xiàng)目編號(hào):10872075）資助。本文采用基于波動(dòng)的方法以及混合法，對(duì)三維結(jié)構(gòu)聲耦合問(wèn)題、無(wú)限域中的聲輻射以及組合結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，并對(duì)組合結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。系統(tǒng)地建立了復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析以及耦合結(jié)構(gòu)聲學(xué)問(wèn)題的低中頻分析模型，并對(duì)中頻分析相關(guān)理論進(jìn)行了探討。研究?jī)?nèi)容包括如下幾個(gè)方面：基于波動(dòng)法的多域結(jié)構(gòu)聲耦合模型和無(wú)限域內(nèi)結(jié)構(gòu)

2、聲耦合模型，基于混合法的聲、結(jié)構(gòu)聲耦合模型和組合結(jié)構(gòu)模型，以及組合結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)研究。分析考慮了實(shí)際工程需求，可為實(shí)際薄壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析以及結(jié)構(gòu)聲學(xué)分析提供可靠實(shí)用的計(jì)算方法。
　　 提出了中頻和混合模型的完整定義，討論了中頻分析方法的要求、中頻動(dòng)力學(xué)獨(dú)特行為以及中頻振動(dòng)聲預(yù)報(bào)中出現(xiàn)的不確定性，為中頻振動(dòng)聲預(yù)報(bào)提供了理論基礎(chǔ)和研究思路。
　　 推導(dǎo)了基于波動(dòng)的方法在復(fù)雜結(jié)構(gòu)聲耦合中的通用建模步驟，提出了一組新的基于阻抗的連續(xù)

3、性條件，新的連續(xù)性條件引入人工阻尼到數(shù)值模型中，增強(qiáng)了數(shù)值算法的穩(wěn)定性，阻抗耦合因子采用特征聲阻抗，得到了較好的效果。并將該方法應(yīng)用到聲腔問(wèn)題以及薄板和聲腔耦合的問(wèn)題中。結(jié)果表明該方法具有自由度少、收斂性快等特點(diǎn)，為中頻段的振動(dòng)聲學(xué)分析提供了有效方法。
　　 采用類似有限元處理無(wú)限域的方法，利用人工截?cái)嗲鎸⑶蠼庥蚍指畛捎薪缬蚝蜔o(wú)界域，有界域再分割成凸形子域，在截?cái)嗲鎯?nèi)外分別定義可以表示聲壓場(chǎng)的波函數(shù)，提出了圓形截面下的波函數(shù)

4、。利用波函數(shù)的特點(diǎn)，給出障板的隱式處理方法。通過(guò)連續(xù)性邊界條件在人工截面上將內(nèi)外子域聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)造出可以求解的系統(tǒng)模型。最后將該方法應(yīng)用到了聲傳輸、聲輻射和聲散射等無(wú)限域結(jié)構(gòu)聲學(xué)問(wèn)題中。算例驗(yàn)證了該方法的高計(jì)算效率。
　　 討論了混合模型在結(jié)構(gòu)聲耦合分析中的應(yīng)用?；诓▌?dòng)的方法的不足之處是高計(jì)算效率只針對(duì)中度復(fù)雜的幾何模型。為了利用兩者的優(yōu)勢(shì)：有限元法的廣泛應(yīng)用和基于波動(dòng)的方法的高收斂特性，提出了混合預(yù)報(bào)法?；驹硎菍⒂邢拊?/p>

5、型中較大且?guī)缀魏?jiǎn)單的部分采用基于波動(dòng)的方法代替。得到的耦合模型仍具有較少的自由度，耦合方式為直接耦合。給出了混合法的建模程序。并針對(duì)聲腔以及薄板和聲腔的耦合問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值算例。利用有限元法的細(xì)分，可以得到更高精度的結(jié)果或者在相同計(jì)算資源下獲得更高的計(jì)算頻率范圍。利用有限元法的模態(tài)疊加，可以進(jìn)一步減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。
　　 討論了混合模型在組合結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析中的應(yīng)用。通過(guò)連續(xù)性條件將兩種非一致性近似場(chǎng)耦合起來(lái)，耦合方法為直接耦

6、合，連續(xù)性條件直接作為子域的邊界條件。針對(duì)實(shí)際工程中常出現(xiàn)的框架－面板結(jié)構(gòu)建立了混合分析模型，對(duì)剛性比較大的框架結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的有限元分析而對(duì)薄板這類彈性結(jié)構(gòu)采用基于波動(dòng)的方法分析，如果采用純有限元分析，則大量的計(jì)算資源都消耗在對(duì)薄板的建模上。算例分析表明：由于框架所需單元數(shù)目比較少，那么有限元部分對(duì)混合模型精度的影響也比較小，混合模型的精度主要由基于波動(dòng)的方法來(lái)控制；收斂性和頻響函數(shù)預(yù)報(bào)分析顯示了混合模型比有限元法具有更高的計(jì)算效率，使

7、得混合法可以用于中頻振動(dòng)分析。
　　 進(jìn)行了組合結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)了薄板、折彎板、組合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。采用混合法?duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并與試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，證實(shí)了本文計(jì)算模型的有效性。并對(duì)振動(dòng)分析中出現(xiàn)的不確定性也作了探討。
　　 本文針對(duì)實(shí)際工程中常用的薄壁結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)的振動(dòng)聲學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了基于波動(dòng)法和基于混合模型的理論分析方法，并對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的完善和發(fā)展，可望形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲學(xué)系