基于不同理論模型的加筋層合板殼聲振特性研究.pdf

1、復(fù)合材料層合板殼結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、剛度大、優(yōu)良的吸能性能等多功能特性而被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶與海洋工程等領(lǐng)域。但是有關(guān)周期加筋層合板殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲輻射理論方面的研究較少。本文以航行態(tài)潛艇為工程背景，建立了均勻流中三類典型潛艇結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲輻射的理論模型：單層、雙層和圓柱周期加筋層合板殼聲振理論模型，數(shù)值仿真與模型試驗(yàn)研究用于驗(yàn)證理論模型的有效性。本文旨在為典型潛艇結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)提供一定的理論支撐。主要的工作安排如下：
　　本文第一部

2、分主要從流體狀態(tài)，板殼理論及結(jié)構(gòu)形式三個(gè)方面，對(duì)周期加筋板殼結(jié)構(gòu)聲振特性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，在此基礎(chǔ)上指出了目前航行態(tài)潛艇結(jié)構(gòu)水下振動(dòng)和聲輻射理論預(yù)報(bào)中的薄弱環(huán)節(jié)，并確定了后續(xù)研究工作的提綱。
　　以均勻流中無限大平板為研究對(duì)象，基于對(duì)流波動(dòng)方程和邊界條件，提出了使用傅里葉變換法結(jié)合穩(wěn)相法在波數(shù)域中求解無限大受力平板振動(dòng)和聲輻射響應(yīng)的基本思路。針對(duì)無限大平行加筋板，先分析加強(qiáng)筋的受迫彎曲和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，得到其作用在平板上的反力和力矩

3、，借助脈沖函數(shù)（?）和泊松求和公式來處理離散分布線力和力矩的作用，建立了均勻流中平行加筋板的聲振耦合理論模型，得到了矩陣形式的求解表達(dá)式。然后在保證結(jié)果收斂的前提下將其截?cái)喑捎邢薮髞磉M(jìn)行數(shù)值求解。通過與數(shù)值仿真及現(xiàn)有理論模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了本文理論模型的有效性。利用橫向位移譜和輻射聲壓研究了不同系統(tǒng)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)聲-振耦合特性的影響。
　　針對(duì)面板為各向異性材料或各向同性材料及加強(qiáng)筋為等間距正交分布的情況，本文通過引入廣義動(dòng)剛度和動(dòng)

4、柔度的概念，建立了均勻流中正交加筋板結(jié)構(gòu)一般形式下的聲振耦合理論模型。對(duì)于面板為各向同性材料的情況，一方面采用數(shù)值截?cái)喾椒▉碛?jì)算結(jié)構(gòu)的輻射聲壓；另一方面自主設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)來測量有限大正交加筋板的水下輻射聲壓；先將數(shù)值結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，二者變化趨勢基本相同，然后再與現(xiàn)有理論結(jié)果對(duì)比，二者吻合良好，驗(yàn)證了本文理論模型的有效性。通過橫向位移譜及輻射聲壓揭示了不同系統(tǒng)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)聲-振耦合特性的影響規(guī)律。
　　基于一階剪切變形理論，同時(shí)

5、借助廣義動(dòng)剛度和動(dòng)柔度來處理層合平板，推導(dǎo)出了正交加筋層合平板一般形式的聲-振控制方程。然后采用與上一章相同的建模思路，建立正交加筋層合板聲振耦合系統(tǒng)一般形式的理論模型，給出振動(dòng)響應(yīng)和輻射聲壓的解析解。對(duì)于面板選各向同性材料時(shí)，對(duì)比了一階剪切變形層合板理論與經(jīng)典薄板及層合板理論三種平板理論的聲壓結(jié)果，前者與后兩者在中高頻段聲壓出現(xiàn)了差異。最后進(jìn)行數(shù)值分析，研究了不同系統(tǒng)參數(shù)對(duì)正交加筋層合板結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲輻射特性的影響規(guī)律。
　　針對(duì)

6、外板為層合平板的雙層平行加肋平板結(jié)構(gòu)，采用近似的“質(zhì)量-彈簧-質(zhì)量”系統(tǒng)來模擬中間層平行肋板對(duì)內(nèi)外面板的反作用力和反力矩。首先假設(shè)彈簧的等效拉力，扭矩及集中質(zhì)量“均攤”到內(nèi)外面板上，得到了一種簡單的單諧波理論模型。然后，將它們等間距“離散”在內(nèi)外面板上，通過充分考慮結(jié)構(gòu)的周期特性及利用泊松求和公式，得到了一種更高精度的多諧波理論模型。兩種理論模型都按照上一章的方法來處理層合平板，都是一般形式的理論模型?；诖耍ㄟ^數(shù)值分析研究了不同系統(tǒng)

7、參數(shù)的影響。
　　針對(duì)內(nèi)板和外板都為層合平板及被二維正交肋板加強(qiáng)的雙層平板結(jié)構(gòu)，同樣將加強(qiáng)肋板對(duì)內(nèi)外板的影響用離散分布的等效彈簧，扭簧和集中質(zhì)量的組合來近似代替。然后通過拓展上一章的研究，建立了雙層正交加肋平板結(jié)構(gòu)聲-振耦合系統(tǒng)統(tǒng)一形式的理論模型。通過與現(xiàn)有全金屬正交加筋?yuàn)A層板結(jié)構(gòu)的聲輻射結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了本文對(duì)于加強(qiáng)肋板的等效處理方式的合理性。接著研究了不同系統(tǒng)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和聲輻射特性的影響。
　　基于一階剪切變形層合殼

8、體理論和利用柱坐標(biāo)中的對(duì)流波動(dòng)方程和邊界條件，周期環(huán)肋通過法向線力和力矩與殼體耦合在一起，建立了均勻流中周期加肋層合圓柱殼的聲輻射理論模型，給出計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的矩陣表達(dá)式，在波數(shù)域中利用穩(wěn)相法得到了遠(yuǎn)場聲壓的解析表達(dá)式。通過對(duì)比不同層合殼體理論及環(huán)肋處理方式的遠(yuǎn)場聲壓，驗(yàn)證了本文理論模型的有效性。最后通過參數(shù)研究給出了一些降低加肋圓柱殼輻射噪聲的建議。
　　最后，對(duì)周期加筋板殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和聲輻射做了總結(jié)，并且指出了后續(xù)要研究工作的重