内嵌声学黑洞薄板振动特性数值模拟方法研究

[目的]针对内嵌二维声学黑洞薄板的数值模拟方法进行对比研究,[方法]提出使用板壳单元对声学黑洞薄板进行离散建模的方法。首先,设计内嵌二维声学黑洞薄板算例,应用体单元建立该薄板的有限元模型,以验证其声学黑洞效应。然后,采用相同尺度的板壳单元来模拟该二维声学黑洞薄板,并对2种建模方法的模态和振动特性进行数值对比验证。最后,讨论声学黑洞区域厚度阶梯变化尺度以及幂律对整体结构振动特性的影响。[结果]研究表明,使用板壳单元离散内嵌声学黑洞薄板计算其振动特性的精度是可靠的,板壳单元离散方法相比体单元离散法具有计算规模小、计算效率高的优点。同时,合理调节声学黑洞区域的厚度阶梯变化尺度以及幂律会改变局部模态对应的固有频率。[结论]研究结果可为声学黑洞结构的设计与应用提供指导。     

船用柴油机进气消声器声学性能研究及改进设计

为提高某船用柴油机进气消声器的消声性能,利用有限元软件LMS virtual lab中声学模块对消声器进行了声学性能仿真研究。分析了消声器的吸声片间距、直径参数,以及吸声片两侧布置穿孔板对传递损失的影响。结果表明:吸声片间距减小2 mm,消声器的传递损失增加约2.5 d B;吸声材料外径增加40 mm,消声器传递损失在大多数频率范围内增加1~2 d B;在吸声片两侧布置穿孔板,消声效果在800~1 600 Hz频率范围内可提高约8 d B,该改进设计方案有利于抑制增压器的噪声源峰值。     

耦合条件下单层微穿孔板吸声体的消声性能研究

本文提出了一个板-腔耦合的模型,用于计算微穿孔板对腔体的消声性能.微穿孔板一般为较薄的平板,在板的面积较大时,板自身的振动也可能会对腔体的声场造成影响.该模型考虑了微穿孔板的影响,能够更精确地计算微穿孔板吸声体的消声性能.使用噪声消减量来评价微穿孔板的消声性能,通过实验验证,该耦合模型的求解结果精确可靠.基于所提出的计算模型,对微穿孔板的穿孔率、背腔厚度、孔径以及板厚进行了优化.     

环肋圆柱壳在水下爆炸冲击下的响应

针对水下非接触爆炸问题过程复杂、计算速度慢的问题,本文以一环肋圆柱壳为例,基于以内嵌的水下爆炸载荷计算方法和声-结构耦合方法为关键技术的水下爆炸分析法(AUA),对其水下爆炸冲击下的响应进行了分析。结果发现,壳板厚度对圆柱壳的水下非接触爆炸响应有较为显著的影响,随着壳板厚度的增加,环肋圆柱壳最大位移减小的幅度逐渐变小。在爆炸初期爆距对环肋圆柱壳冲击响应的影响不大,随时间的推移这种影响逐渐增大,环肋圆柱壳各测点变形随爆距的增大线性减小;当肋骨间距大于0.25倍环肋圆柱壳长时,环肋圆柱壳最大变形量可减小90%;继续减小肋骨间距,环肋圆柱壳最大变形减少量并不明显,说明肋骨对其附近测点和中间的板壳起到了显著的加强作用,肋骨间距为0.25倍环肋圆柱壳长时为最经济的肋骨布置方式。     

环肋圆柱壳在水下爆炸冲击下的响应

针对水下非接触爆炸问题过程复杂、计算速度慢的问题,本文以一环肋圆柱壳为例,基于以内嵌的水下爆炸载荷计算方法和声-结构耦合方法为关键技术的水下爆炸分析法(AUA),对其水下爆炸冲击下的响应进行了分析。结果发现,壳板厚度对圆柱壳的水下非接触爆炸响应有较为显著的影响,随着壳板厚度的增加,环肋圆柱壳最大位移减小的幅度逐渐变小。在爆炸初期爆距对环肋圆柱壳冲击响应的影响不大,随时间的推移这种影响逐渐增大,环肋圆柱壳各测点变形随爆距的增大线性减小;当肋骨间距大于0.25倍环肋圆柱壳长时,环肋圆柱壳最大变形量可减小90%;继续减小肋骨间距,环肋圆柱壳最大变形减少量并不明显,说明肋骨对其附近测点和中间的板壳起到了显著的加强作用,肋骨间距为0.25倍环肋圆柱壳长时为最经济的肋骨布置方式。     

声学黑洞加筋板结构的声振特性分析

基于声学黑洞与加强筋这两种结构设计出声学黑洞加筋板,通过建立声学黑洞加筋板、加强筋的有限元模型,对两种结构的声辐射特性、振动能量分布与传递特性开展研究。仿真结果表明：在高于截止频率时声学黑洞加筋板的辐射声功率级比普通加筋板降低8～20 dB,由于敷设的局部阻尼使聚集在声学黑洞区域的振动能得到有效的耗散,因此其振动水平下降明显且与声场耦合变弱;通过分析振动能量分布特性验证了声学黑洞加筋板结构大部分动能聚集在声学黑洞区域,减弱整体结构的振动水平;振动传递特性揭示了声学黑洞加筋板受声学黑洞聚能与加强筋阻振的叠加效应,相比于普通加筋板,声学黑洞加筋板具有更优的减振降噪性能。     

带消声功能的潜艇换热器声学性能仿真

针对潜艇消声问题,提出一种带消声功能的换热器,开展环状橡胶气囊结构消声性能研究。建立仿真模型和进行传递损失计算,证明有囊式消声器的消声效果。利用控制变量法定量改变设计参数,分别研究气腔长度、穿孔直径和穿孔率对气囊消声效果的影响规律,为潜艇换热器的流动噪声控制提供有力支撑。     

水介质复合消声器传递损失特性分析

为了降低水介质管路系统的低频噪声以及更加准确地预测水介质消声器传递损失,设计一种水介质复合消声器,使用结构声耦合数值模型分析消声器的声学特性。计算壁厚为150 mm的穿孔管消声器传递损失,并与刚性条件下的数值结果进行比较,验证方法的正确性;研究弹性腔壁与水介质的耦合作用以及不同结构参数的穿孔管和内插管对消声器传递损失的影响。数值研究表明：复合消声器的消声效果相较于传统的穿孔管消声器有较大提升;降低腔壁材料的弹性模量会使结构声耦合效应增强,低频消声性能得到提高;增加腔壁材料的阻尼系数,通过频率处的消声效果得到提高;减小腔壁壁厚有利于低频消声效果的提高,但不利于宽频范围的消声性能;复合消声器内加入内插管后,消声效果在较大频率范围内得到提升;改变穿孔管的结构参数,对低频消声效果影响不大。     

大厚度环肋圆柱壳结构应力特性研究

环肋圆柱壳是水下工程产品中广泛采用的一种典型耐压结构。随着工作深度需求越来越深,环肋圆柱壳结构设计逐渐呈现出大厚度的新结构特征。本文以某深海无人系统耐压结构参数为例,采用理论方法和有限元仿真方法进行计算分析,研究不同厚度特征参数（t/R）下的环肋圆柱壳结构应力特性。结果表明,基于薄壳理论的解析计算方法不适用于大厚度环肋圆柱壳结构应力计算,大厚度环肋圆柱壳结构的应力特性与传统圆柱壳结构存在较大差异,在大厚度环肋圆柱壳结构设计时应综合权衡其壳板应力和肋骨应力的特性。     

流场中变截面加筋柱壳结构声振特性分析

基于传递矩阵法给出了流场中变截面加筋柱壳结构在受集中力和声压作用下振动与声辐射的求解过程,并在确定模态截断算法有效性的基础上开展对结构振动特性的研究,分析了环板-圆柱壳加筋柱壳结构的损耗因子、流体介质、壳体厚度、环肋数目对其声振特性的影响。结果表明,流体介质的存在使结构振动减小,辐射声压增加;损耗因子增加,振动和辐射声压在中高频段降低;壳体厚度增大,壳体的振动响应减小,低频段辐射声压降低,高频段辐射声压交叉波动;环肋数目增加,结构振动减小,在中高频段,辐射声压降低。     

流场中变截面加筋柱壳结构声振特性分析

基于传递矩阵法给出了流场中变截面加筋柱壳结构在受集中力和声压作用下振动与声辐射的求解过程,并在确定模态截断算法有效性的基础上开展对结构振动特性的研究,分析了环板-圆柱壳加筋柱壳结构的损耗因子、流体介质、壳体厚度、环肋数目对其声振特性的影响.结果表明,流体介质的存在使结构振动减小,辐射声压增加;损耗因子增加,振动和辐射声压在中高频段降低;壳体厚度增大,壳体的振动响应减小,低频段辐射声压降低,高频段辐射声压交叉波动;环肋数目增加,结构振动减小,在中高频段,辐射声压降低.     

外壳板采用纵骨加强的双层加肋圆柱壳水下声辐射分析

建立了外壳板加纵骨的双层加肋圆柱壳水下声辐射计算方法，计算模型采用Donnell壳体理论，考虑了环肋、舱壁和实肋板对内外圆柱壳的径向、切向、纵向反作用力以及纵向反弯矩，利用傅氏变换和模态展开在波数域建立了计算模型的声弹耦合控制方程。推导了所有结构部件以及水介质的速度阻抗表达式，采用数值计算方法在波数域求解出径向振动速度，利用稳相法得到远场辐射声压。研究表明，如果纵骨沿圆周均匀排列，则纵骨的存在不导致圆柱壳周向模态耦合，纵骨加强的双层圆柱壳水下声辐射计算可以大大筒化。采用文中方法研究了环频率以下外壳板加纵骨的双层加肋圆柱壳水下声辐射特性，计算表时：在较低的频率段，外壳板采用纵骨加强使双层加肋圆柱壳水下辐射声压增大；增大纵骨刚废，结构辐射声压也相应增大；纵骨间距对双层加肋圆柱壳水下声辐射影响比较复杂，辐射声压谱随纵骨间距变化较大，而总声级变化不明显。     

油船类桁架式支撑结构下双层底肋板的描述性要求

某油船的主要支撑构件采用了经拓扑优化得到的新颖类桁架式结构,将传统的纵舱壁垂直桁与双层底肋板之间的支撑大肘板改为斜撑结构,对于该船双层底肋板的承载而言,将从传统的单跨梁承载形式改为复杂梁系承载形式,其上的剪切力分布将发生根本变化,无法直接适用现有CSR关于油船双层底肋板的描述性要求。通过研究现有CSR针对油船双层底肋板的描述性要求技术背景,基于舱段强度评估,提出1种类桁架斜撑下双层底肋板的简化梁模型,通过理论推导结合直接计算建议了适用于类桁架斜撑下双层底肋板的剪力分布系数,并通过不同船型计算验证了公式的普适性,为新颖支撑结构下双层底实肋板的结构设计和描述性评估提供了技术支撑。     

潜艇耐压圆柱壳结构的优化设计

本文根据结构特点,从解多目标优化问题的简单目标规划法出发,建立了一种单目标约束最优化的数学模型。用复形法求解后,根据材料屈服极限事实上是离散变量的实际情况,以重量最轻为目标函数作了第二阶段优化,并对壳板厚度、环向肋骨间距这两个连续变量作了专门处理,使设计变量都转化为规格化的离散变量,从而使优化设计更为实用。若干实例设计表明普通环肋圆柱壳结构优化方案明显优于原设计方案;在某些特定情况下,纵横加肋圆柱壳结构是一种优于普通环肋圆柱壳结构的结构形式。     

基于结构增抗技术的高腹板环肋双层圆柱壳声振设计研究

针对水下航行体降低线谱的要求,基于结构增抗技术进行环肋双层圆柱壳结构设计.从提高舱段结构针对线谱频率的机械阻抗入手,引入圆柱壳的圆截面内运动假设,运用Donnell壳体理论推导了有限长环肋圆柱壳振动声辐射的径向模态总阻抗;分析了环肋径向模态机械阻抗的变化规律,提出了一种高腹板环肋双层壳结构;并对该新型结构进行了声振特性分析,与从强度角度出发的常规双层壳结构的声学性能进行了比较.结果表明,增大肋骨的径向机械阻抗可提高舱段总的模态机械阻抗;增加环肋的截面积和惯性矩可以增大环肋的径向机械阻抗;高腹板环肋双层壳具有提高舱段整体的模态机械阻抗,能显著降低低频噪声线谱的优点.     

多层声学覆盖层复合的有限长弹性圆柱壳声辐射特性研究

针对水下双层圆柱壳内外壳体各表面敷设隔声阻尼层的情况,建立了有限长多层复合加实肋板的双层圆柱壳水下声辐射计算模型.对模型采用模态展开法,系统考虑壳体与隔声层和实肋板耦合,外表面声学覆盖层作用和外部声场耦合,并以状态矢量对应的矩阵形式导出复合壳体辐射声功率的计算表达式.数值计算了隔声阻尼层和外场声学覆盖层层参数,实肋板参数和壳体阻尼对模型辐射声功率的影响.研究结果表明:有实肋板时阻尼层的降噪量最高接近15dB,实肋板的声短路作用限制了隔声阻尼层的降噪效果;双层隔声阻尼层比单层隔声阻尼层降噪效果好3-4dB.外场声学覆盖层受实肋板影响较阻尼层小,其降噪量达10dB左右.     

结构形式对船体振动的影响分析

以船体主机下肋板为例,研究船体振动时船底肋板在频率10～150Hz范围振动剧烈的减振方法。通过改变结构的刚度和阻尼,探讨降低肋板剧烈振动的方法。其中改变结构的刚度,包括改变板厚和安装加强筋等,改变阻尼是通过敷设阻尼层来实现。利用ANSYS有限元软件进行模拟计算,对比分析结构的刚度和阻尼发生变化时肋板的振动变化,得出改变结构的刚度和阻尼都可以对局部振动起到降低振动的效果。从实际应用的经济性考虑,安装加强筋方法最优。     

锥柱组合结构振动声辐射特性研究

针对水下航行器尾部结构振动声辐射控制难题,以锥柱组合结构为研究对象,开展水下航行器尾部结构振动声辐射特性研究。首先,基于声固耦合方法,计及流体负载的影响,建立结构振动声辐射评估模型;在此基础上,开展垂向激励力作用下锥柱组合结构振动声辐射特性研究,探究舱壁、环肋和纵向加强筋等结构形式对锥柱组合结构振动声辐射的影响规律。研究表明,1～400 Hz频段,在激励位置附近增设舱壁、适当增加环肋数目可改变结构频谱特性,并有效降低幅值响应,而增设纵向加强筋对结构振动声辐射特性影响不大。     

基于BP-GA算法的环肋锥柱壳多目标优化设计

本文以超大潜深的潜艇耐压壳结构为研究对象,利用排水量表达式估算潜艇主尺度。通过Ansys软件的Apdl语言建立环肋锥柱壳的有限元模型,并分析计算耐压壳的强度及稳定性。以肋骨间距、耐压壳厚度和肋骨尺寸作为离散设计变量,以结构重量、总体失稳临界压力作为优化目标,实现基于神经网络和遗传算法的环肋锥柱壳多目标优化设计。在Matlab平台上,首先用拉丁超立方体抽样,再用BP神经网络建立起样本点和目标函数之间的映射关系,构建神经网络代理模型,最后调用多目标优化函数gamultiobj进行优化。优化结果表明,利用BP神经网络和遗传算法相结合进行复杂模型环肋锥柱壳的多目标优化,效率较高,精度较好,达到较理想的优化效果。     

水介质弹性共振腔的中低频吸声特性研究（英文）

文章以降低声呐罩自噪声为背景,将声呐罩简化为矩形声腔,建立了弹性共振腔阵列及声学覆盖层与矩形声腔的声振耦合模型;计算分析了弹性共振腔构型参数对声腔中低频声场控制效果的影响,进而提出能够有效扩展中低频吸声效果的格栅式弹性共振腔;通过试验验证了弹性共振腔的吸声效果,并计算分析了弹性共振腔阵列和声学覆盖层组合作用的宽频带吸声效果;在100～2 000 Hz的中低频段内矩形声腔取得了3～10 dB的吸声效果。