预应力和流固耦合效应对水下壳结构振动特性影响研究

对于水下结构,流体对结构模态频率的影响主要体现在预应力效应与流固耦合效应两方面.为研究水下壳结构固有频率对这2种效应的敏感度,本文首先计算某水下壳体在空气中的模态,然后研究壳结构在不同水深工作产生的静水压对其固有频率的影响,最后使用声固耦合的方法计算了流固耦合效应下的壳体湿模态.计算结果表明:流固耦合效应占主导因素,但随着壳体工作水深(预应力)的增大,预应力效应对水下壳体频率的影响也逐渐显著.因而,在开展水下结构动力学设计时,不仅要重点考虑流固耦合效应对结构固有频率的影响,还应关注结构实际工作环境下的应力状态,分析其对结构固有频率的影响.     

隐身夹芯复合材料舵振动特性研究

对声隐身夹芯复合材料舵进行壳板和整舵的结构形式设计;应用有限元软件MSC. Patran和MSC.Nastran建立声隐身夹芯复合材料舵和钢质舵模型,进行模态计算,得到夹芯舵和钢质舵干湿模态下的各阶固有频率和振型;与局部壳板小模型的振动模态进行比较,分析两种模型不同的振动规律.比较两种舵结构的模态节线图,分析格舵的弯曲、扭转及耦合振动模态.结果表明:隐身夹芯复合材料舵固有频率低于钢质舵,且振型主要为整体弯曲、扭转振动,壳板局部振动较小.     

预应力和流固耦合效应对水下壳结构振动特性影响研究

对于水下结构,流体对结构模态频率的影响主要体现在预应力效应与流固耦合效应两方面。为研究水下壳结构固有频率对这2种效应的敏感度,本文首先计算某水下壳体在空气中的模态,然后研究壳结构在不同水深工作产生的静水压对其固有频率的影响,最后使用声固耦合的方法计算了流固耦合效应下的壳体湿模态。计算结果表明:流固耦合效应占主导因素,但随着壳体工作水深(预应力)的增大,预应力效应对水下壳体频率的影响也逐渐显著。因而,在开展水下结构动力学设计时,不仅要重点考虑流固耦合效应对结构固有频率的影响,还应关注结构实际工作环境下的应力状态,分析其对结构固有频率的影响。     

一维弹性结构在理想流体中的模态特性研究

为研究一维弹性结构在理想流体中的模态特性,建立了流固耦合振动模型。基于流体无旋、无粘不可压缩的假设,求解流体域内的速度势,根据流场分析得到水压力,将脉动水压力加载在结构表面,得到结构在水中的振动方程,并利用瑞利-利兹法求解得到圆柱梁在水中振动的固有频率和振型。在此基础上,基于应变测试对水池中的悬臂梁结构进行了模态识别,实验结果与计算结果相当吻合。研究发现,由于附连水质量的影响,弹性结构在水中的固有频率低于其在空气中的,其振型与空气中的形状基本一致,但其节点会向自由端偏移。     

肋板与流体的耦合对水下双壳体声辐射的影响

以水下双层圆柱壳为研究对象,采用结构有限元耦合流体边界元的附加质量、附加阻尼算法,计算各工况下分别忽略和考虑层间实肋板与内域流体耦合作用这2种情况下结构的振动与声辐射,并从均方法向速度级和辐射声功率级这2个方面分析讨论壳间肋板与内域流体耦合作用对水中双层圆柱壳振动与声辐射的影响。结果表明：壳间肋板与流体耦合作用对水下双层圆柱壳振动与声辐射影响很小。壳间肋板数量越多,厚度越薄,内壳半径越小,肋板与内域流体的耦合作用对结构的振动与声辐射的影响则越小。     

水下航行体纵向振动特性分析

对具有双层壳体结构的潜艇状水下航行体的纵向振动特性进行了研究。采用有限元方法计算了纵向振动湿模态的固有频率和振型，发现该水下航行体内层壳板具有两种典型的纵向总振动振型：“振动节面振型”和“错动块振型”，而外层壳板以局部振动为主。     

浸水板式结构的动力特性与声辐射特性数值分析

以镶嵌在无限大刚性障板上的板和板加筋结构为研究对象,应用Rayleigh积分计算得到流体对结构的加载效应以附加质量的形式,叠加到有限元离散的结构动力方程中进行耦合.针对附加质量矩阵不对称的特点应用Lanczos-QR算法求取非对称阵的广义特征值和特征向量问题,基于结构表面振速计算声功率,并基于能量的概念计算声辐射阻尼.研究分析了流体可压缩性、附加质量计算频率、板厚以及加筋方式对板式结构的振动特性影响,和流体特性、激励位置、板厚、加筋方式、边界条件对板式结构的声辐射特性影响,为板和板加筋结构振动噪声预报提供了一定依据.     

考虑流体加载效应的板结构声辐射损耗因子和辐射效率的计算分析

采用有限元法和Rayleigh积分耦合方法对考虑流体加载效应的板的结构声辐射损耗因子和声辐射效率进行了计算分析,其中结构振动模态的声辐射损耗因子和声辐射效率分别基于模型降阶的结构模态参数识别方法和考虑流体附加质量的实模态进行计算。对板在空气和水中的声辐射损耗因子和辐射效率进行了计算,计算结果表明：板的奇奇振动模态的声辐射损耗因子远大于其他类型模态;板奇奇振动模态在空气中的声辐射损耗因子远小于水中的声辐射损耗因子,约差一个数量级;板在水中的声辐射损耗因子远大于板的结构损耗因子,空气的声辐射损耗因子与结构损耗因子相当;空气中的声辐射效率比水中的声辐射效率约高两个数量级。     

浅水域结构流固耦合振动的固有频率计算

本文首先建立了浅水域声学边界元方程和相应的FEM/BEM耦合振动方程,探讨了水深对结构振动固有频率和振型的影响,流体可压缩性对结构振动固有频率的影响.研究结果表明:水深变化对结构固有频率有影响,随着水深减小,结构固有频率降低,特别是当水深与结构浸深接近时,水深变化对固有频率影响极大,且振型顺序也可能发生变化;而流体的可压缩性对于浅水域结构固有频率影响不大.     

基于声振耦合理论的压电智能板结构水下声辐射控制研究(英文)

对水下结构声辐射压电控制的压电片布置问题进行了深入的理论和数值分析.首先基于声振耦合理论,对低频段声辐射板的压电传感器和作动器的布置做了定性的分析,给出了声辐射功率与结构模态比和模态积之间的关系式.其次基于有限元/边界元数值计算方法,对所提出的压电片布置方案进行了辐射声场控制的定量计算.通过计算比较可以看出,基于声振耦合理论的压电片布置方案在低频段所得到的多阶模态控制效果,优于基于振动模态应变贴片理论控制方法所得到的控制效果,可以用来进行流体加载板结构声辐射控制的设计和预测.     

水下航行体舱段结构声学设计模型分析

采用基于模态坐标的有限元/边界元方法,建立水下航行体封闭舱段声学设计模型,利用该耦合分析模型对两端采用刚性圆板封闭的简支舱段结构的振声性能进行分析,并与采用半无限长圆柱形刚性障板代替两端的刚性圆板时的舱段模型计算结果作比较,指出除了少数耦合模态的固有频率附近,当外层圆柱壳周长相对流体中声波波长较小时,采用刚性圆板封闭的两端简支双层加筋圆柱壳与两端采用半无限长圆柱形刚性障板代替刚性圆板时的声辐射规律十分相近。     

基座含阻振质量的动力舱段全频段声振特性数值研究

从工程应用的角度出发,将刚性阻振质量带引入动力舱段基座结构的刚性隔振设计中。联合应用声固耦合法和统计能量法,基于ABAQUS/VA ONE,对基座结构含阻振质量带的动力舱段减振降噪效果进行了全频段数值分析。数值研究了阻振质量截面尺寸、截面形状参数、布置位置对基座隔振特性的影响规律,验证了基座刚性阻振质量隔振设计的有效性,旨在为船舶结构声学设计提供参考。     

Fluid-structure coupled analysis of underwater cylindrical shells

Underwater cylindrical shell structures have been found a wide of application in many engineering fields, such as the element of marine, oil platforms, etc. The coupled vibration analysis is a hot issue for these underwater structures. The vibration characteristics of underwater structures are influenced not only by hydrodynamic pressure but also by hydrostatic pressure corresponding to different water depths. In this study, an acoustic finite element method was used to evaluate the underwater structures. Taken the hydrostatic pressure into account in terms of initial stress stiffness, an acoustical fluid-structure coupled analysis of underwater cylindrical shells has been made to study the effect of hydrodynamic pressures on natural frequency and sound radiation. By comparing with the frequencies obtained by the acoustic finite element method and by the added mass method based on the Bessel function, the validity of present analysis was checked. Finally, test samples of the sound radiation of stiffened cylindrical shells were acquired by a harmonic acoustic analysis. The results showed that hydrostatic pressure plays an important role in determining a large submerged body motion, and the characteristics of sound radiation change with water depth. Furthermore, the analysis methods and the results are of significant reference value for studies of other complicated submarine structures.     

Vibrations of imperfect ship plating

This paper deals with vibration analysis of plates in marine structures. It is the main purpose of the paper to demonstrate that in order to obtain reliable frequency predictions it is necessary to include in the vibration analysis the effects of the unavoidable imperfections caused by welding or lateral fluid pressure. Furthermore, practical procedures for including these effects are presented. Simple algebraic expressions are derived for determination of small amplitude natural frequencies of vibration of initially imperfect rectangular plates subjected to uniaxial in-plane loads. The theoretical results show close agreement with experimental results available in the literature. For plating of marine structures with typical welding induced geometric imperfections and residual stresses it is shown that the lowest natural frequency of the unloaded imperfect plate can be twice as high as that of the perfect plate. For vibration analyses of plates submerged in a liquid the importance of taking into account deflections and membrane stresses caused by the hydrostatic pressure is demonstrated.     

开孔平板水下振动及声辐射特性

采用有限元与间接边界元相结合的方法,以开有圆孔、四边简支、无障板的钢制平板为对象,开展开孔板水下振动及声辐射特性研究。首先,计算开孔板在空气中和水中的固有频率。在空气中,开孔板的固有频率较无孔板低,随着开孔面积增大,大部分固有频率降低;在水中,由于开孔可明显降低平板水下振动的附连水质量,开孔板的固有频率升高,且随开孔面积的增大,固有频率升高。然后,开展单位力激励下开孔板的水下振动声辐射研究,相同激励下,开孔板大部分频段的辐射噪声和辐射效率明显降低,且随着开孔面积的增大,降低量增大,辐射声功率和辐射效率的峰值向高频移动。研究结果表明,开孔可显著改变平板水下振动与声辐射特性。     

采用有限元和边界元方法分析弹性加肋圆柱壳的声学相似性

本文采用有限元和边界元方法,分析水下运动体的典型结构──有限长弹性加肋圆柱壳的振动、耦合振动和声辐射的相似性,给出这种结构的声学相似条件和相似关系。     

Analytical and experimental study of free vibration of beams carrying multiple masses and springs

The structures in engineering can be simplified intoelastic beams with concentrated masses and elastic spring supports.Studying the law of vibration of the beams can be a help in guidingits design and avoiding resonance. Based on the Laplace transformmethod, the mode shape functions and the frequency equations ofthe beams in the typical boundary conditions are derived. Acantilever beam with a lumped mass and a spring is selected toobtain its natural frequencies and mode shape functions. Anexperiment was conducted in order to get the modal parameters ofthe beam based on the NExT-ERA method. By comparing theanalytical and experimental results, the effects of the locations ofthe mass and spring on the modal parameter are discussed. Thevariation of the natural frequencies was obtained with the changingstiffness coefficient and mass coefficient, respectively. The findingsprovide a reference for the vibration analysis methods and thelumped parameters layout design of elastic beams used inengineering.     

管路敷设橡胶层对圆柱壳结构振动与声辐射的影响

以内部设有管路的圆柱壳结构为研究对象,采用结构有限元耦合流体边界元算法,针对管路内、外敷设不同厚度橡胶层时,圆柱壳结构水下振动与声学特性进行数值计算,从圆柱壳结构振动位移和辐射噪声2个方面探讨管路内、外敷设橡胶层对圆柱壳结构水下振动与声辐射的影响.这对水下结构物的声学结构优化具有重要意义.结果表明:对于本算例,管路内、外敷设橡胶层对降低圆柱壳结构水下振动与辐射噪声具有良好效果,并且管路敷设橡胶层越厚,减振降噪效果越好.