复合材料加筋/夹层板壳声振特性研究进展

复合材料加筋/夹层板壳结构在众多工程领域结构物中已得到广泛应用,研究其声振特性对于指导工程设计具有重要意义。本文对国内外复合材料加筋/夹层板壳结构声振特性的研究进行回顾、梳理和归纳,并探讨各种研究方法的适用性,以及未来的研究趋势。综述结果表明：解析与数值相结合的研究方法兼具灵活性和高效率,是研究声振特性的有效方法,也是重要的发展方向;新材料的应用给研究带来了新变化,增大了结构动力学和声学的设计空间;现有的分析方法可以模拟出结构的任意边界条件而无法还原实际边界条件,因而需要结合试验研究作为支撑。     

水下双层圆柱壳全频段声振特性研究

为研究水下双层圆柱壳结构全频段声振特性,基于VA-ONE建立了FE-BEM混合法、FE-SEA混合法及SEA法3种不同的计算模型,进行了不同辐射介质中辐射声功率及外壳振速的计算,并进一步研究了内外壳及肋板厚度、约束条件、激励位置及层间流体对双层圆柱壳声辐射特性的影响;基于FE-BEM混合法研究了圆柱壳结构的声散射特性;研究了肋板在结构振动能量传递中的作用,提出了2种阻尼肋板的减振降噪方案并进行相关仿真分析.结果表明:重流体能够抑制结构的振动,但由于重流体声阻抗较大,结构的辐射声功率变大;结构声散射曲线在某些频率处出现峰值,且峰值频率与结构自身的固有特性有关;阻尼肋板能得到较好的减振降噪效果,工程上建议使用金属聚氨酯阻尼肋板.     

水下双层圆柱壳全频段声振特性研究

为研究水下双层圆柱壳结构全频段声振特性,基于VA-ONE建立了FE-BEM混合法、FE-SEA混合法及SEA法3种不同的计算模型,进行了不同辐射介质中辐射声功率及外壳振速的计算,并进一步研究了内外壳及肋板厚度、约束条件、激励位置及层间流体对双层圆柱壳声辐射特性的影响;基于FE-BEM混合法研究了圆柱壳结构的声散射特性;研究了肋板在结构振动能量传递中的作用,提出了2种阻尼肋板的减振降噪方案并进行相关仿真分析。结果表明:重流体能够抑制结构的振动,但由于重流体声阻抗较大,结构的辐射声功率变大;结构声散射曲线在某些频率处出现峰值,且峰值频率与结构自身的固有特性有关;阻尼肋板能得到较好的减振降噪效果,工程上建议使用金属聚氨酯阻尼肋板。     

水下加肋双层圆柱壳体的振—声传递路径分析

简要介绍了有限元声振耦合和结构振-声传递路径分析(TPA)的基本理论。基于CAE技术建立了TPA模型,通过ANSYS声振耦合的谐响应分析,获得水下双层圆柱壳体振动响应和声场中的声压响应,利用矩阵条件数曲线优选测点位置,并结合奇异值修正的方法改善频响函数矩阵病态问题,求得振源的耦合激励力和振—声频响函数。由自编TPA程序计算得到两个振源作用下目标点的合成噪声响应与ANSYS实际计算吻合很好。利用频谱贡献云图、矢量叠加图及数据对比的方式分析了传递路径对壳外目标点噪声的贡献,从传递路径的角度找出了对壳外噪声起主导作用的环节。可见,基于CAE方法的水下双层圆柱壳体结构振-声TPA方法具有精度高、易操作、成本低等优点,对潜艇的优化设计、运行管理、针对性的维修均具有十分重要的意义。     

考虑横向剪切变形下水中矩形板声振特性研究

基于Mindlin板振动理论,获得镶嵌在无限大障板中的矩形简支板的横向振动方程,并研究矩形板在空气和水中的振动和声辐射特性。根据哈密尔顿(Hamilton)原理建立结构系统总能量关系,利用结构质量矩阵和刚度矩阵建立简谐点激励下水中简支矩形板的声振耦合方程,采用模态叠加法表示结构振动响应、声辐射阻抗方程以及结构辐射声功率,分析了单一模态量和整体量的相互关系,讨论了自辐射模态和互辐射模态的变化规律,并比较了空气和水中矩形板结构声振特性。     

填充芯材的双层加筋板振动特性研究

为了研究填充芯材对双层加筋板振动特性的影响,设计制作一个填充聚氨酯芯材的双层加筋板模型,同时制作一个未填充芯材的双层加筋板作为对照。对2个模型进行振动试验,研究填充芯材对该结构振动特性的影响,并与有限元仿真结果进行对比分析。结果表明：两类加筋板前4阶固有频率和均方振速曲线与有限元仿真结果一致性较高,说明了有限元方法的准确性。填充芯材之后,结构固有频率有一定程度上的降低,对应模态振型未发生明显变化。从减振效果来看,填充芯材之后,均方振速总级大幅下降,说明该复合材料结构具有良好的减振效果。在验证有限元方法的准确性后,还通过仿真手段研究了填充芯材对该结构振动特性影响的主要因素。     

加筋板结构声传输研究

采用有限元法和Rayleigh积分建立了空气中嵌在无限大刚性障板上加筋板结构在简谐平面声波斜入射情况下的声传输计算模型。并研究分析了加筋板结构的板厚、肋骨惯性矩和间距、边界条件、板材和平面声波入射角度等对结构传声损失的影响以及平面声波入射角度与隔声低谷的关系。得到了一些有意义的结论。从而为揭示加筋板结构声传输特性,改善结构的隔声性能提供了一定的依据。     

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.     

径向激励作用下有限长双层圆柱壳声振传递特性研究

文章利用Donnel壳体方程描述双层圆柱壳振动,以附加阻抗的形式表示环肋、实肋板以及水介质等对壳体的力作用,结合内外壳振动位移模态展开形式,建立了双层圆柱壳内外壳之间的声振传递矩阵。同时开展了双层圆柱壳外壳均方速度响应仿真分析,验证了双层圆柱壳内外壳振动响应之间存在固定的传递关系,不受激励源特性影响,为双层圆柱壳辐射噪声预估提供了一定的理论指导。     

IMO批准《船上噪声等级规则》修订草案

  目的  单向周期加筋板在船舶结构中应用广泛,开展其声振特性理论研究可为加筋板的声振特性分析和优化提供理论参考。  方法  首先,考虑骨材对板的力和扭矩作用,以及流体声介质与板的耦合作用,分别建立无限大单、双周期加筋板的结构动力学模型;然后,通过傅里叶变换将空间域转换到波数域,应用构造函数、泊松公式及周期函数的性质推导加筋结构的振动方程,得到力激励和声波激励下加筋板振动位移的解析解,并利用稳相法给出加筋板的远场声压表达式;最后,通过具体算例讨论骨材扭矩、激励类型、激励位置、板厚、骨材参数等因素对周期加筋板结构声振特性的影响规律。  结果  骨材扭矩对加筋板声振特性的影响较小;对于周期加筋结构,可以利用骨材参数对声子晶体带隙的影响,衰减某些频率的振动;激励加载在强构件处可有效减弱振动;骨材的间距、尺寸等参数对声振特性的影响较为明显。  结论  对激励及骨材参数的合理设置,可以有效优化加筋板结构的水下声振特性。     

基于数值方法求解的周期加筋板声振特性研究

为了研究周期加筋板的声振特性,在文献所建立的周期加筋板声振理论耦合方程解析表达式的基础上,先给出一种便于编程的数值求解方法,然后研究加强筋间距对周期加筋板声振特性的影响规律。数值结果表明:周期加筋板的横向位移谱中存在3个特征区域;随之加强筋间距增加,周期加筋板的声振特性将趋于平板特性,远场辐射声压(SPL)曲线会向低频段偏移。     

船上含敷料板与加筋结构的固有振动特性研究

本文对含敷料板的低阶模态振动特性进行了研究,将敷料与基板处理为层合板模型,采用基于Mindlin假设的4节点板单元对含敷料结构进行数值模拟,得到系统固有振动特性.为了研究敷料结构系统固有频率的合适计算方法,构造了不同基板厚度和不同敷料厚度,分别采用层合模型和敷料层等效质量的简化方法进行了结果对比.在相应计算例题中,对3种基板厚度和5种敷料层厚度共计15个敷料铺层试件进行了振动测量,并与数值模拟结果进行对比.针对不同铺设厚度的敷料板与加筋板,分别采用敷料质量等效模型和层合板模型,给出了不同计算模型的振动特性计算误差,为工程上选择敷料层振动特征计算方法提供了依据.     

基于不同模型的正交加筋板低频振动和声辐射分析

正交加筋薄板在船舶结构中应用十分广泛。从简化加筋板模型的角度出发,基于李兹法能量泛函变分原理推导加筋板的能量求解;并针对双向加筋板基于正交异性板理论和相当板厚理论提出2种简化方法,对3种模型模拟的加筋板推导其固有频率的解析公式。计算表明：3种正交加筋板模型在求取低阶固有频率时均具有良好的精度。在此基础上研究了基于3种模型的加筋板在空气中和水中的声辐射特性,为加筋板组合结构的振动和低频声辐射问题提出了新的简化思路。     

周期性加肋板振动带隙研究

文章采用有限元方法计算研究了周期性加肋板结构的振动带隙和能带结构特性,研究了肋骨惯性矩、肋骨间距、肋骨密度、板材密度、板边长比等对结构带隙的影响,分析了周期性加肋板结构的频率响应函数,得出了一些有意义的结论,对周期性梁板类结构带隙特性在振动与噪声控制领域的应用提供了新的思路.     

典型舱内爆炸载荷对加筋板的毁伤特性

[目的]为研究典型舱内爆炸载荷对加筋板的毁伤特性,将舱内爆炸载荷分为初始爆炸冲击波载荷和准静态气压载荷,利用有限元分析软件LS-DYNA开展爆炸载荷下固支单向加筋板毁伤特性的数值模拟.[方法]主要模拟载荷冲量相等和载荷峰值相等时固支单向加筋板的变形特性,以及加筋板分别在初始爆炸冲击波载荷、准静态气压载荷及2种载荷联合作...     

加筋板结构连续焊焊接变形规律

基于通用有限元软件Abaqus,采用顺序耦合热弹塑性有限元方法对加筋板结构双边连续焊焊接变形规律进行了研究。为了提高计算效率,采用具有截面积分特性shell单元的shell/solid模型描述加筋板结构,实现了焊接过程数值模拟。针对双边连续焊焊接方式,分别计算比较了T形接头两侧同时焊接和两侧依次焊接情况下的结构残余变形和应力。结果表明:T形接头两侧同时焊接产生较小的焊接变形,并且变形较为对称。     

初始缺陷对加筋板结构极限强度的影响研究

采用非线性有限元软件Ansys研究包含3种初始缺陷加筋板结构在单轴压缩载荷作用下极限强度的变化趋势,即初始变形、残余应力和凹陷.以单筋单跨加筋板模型为研究对象,考虑初始变形,不同半径及不同速度的撞击球所形成的凹陷及残余应力对加筋板极限强度的影响.结果表明,初始缺陷的存在降低了结构的极限承载力,而且缺陷的叠加作用比单独缺陷存在时对结构极限强度的影响大;加筋板的极限强度随着凹陷深度的加深而减小;3种初始缺陷中,残余应力相对于初始变形和凹陷对结构极限强度的削弱影响更大.     

Dynamic plastic response of clamped stiffened plates with large deflection

Study on the dynamic response, and especially the nonlinear dynamic response of stiffened plates is complicated by their discontinuity and inhomogeneity. The finite element method （FEM） and the finite strip method are usually adopted in their analysis. Although many useful conclusions have been obtained, the computational cost is enormous. Based on some assumptions, the dynamic plastic response of clamped stiffened plates with large deflections was theoretically investigated herein by a singly symmetric beam model. Firstly, the deflection conditions that a plastic string must satisfy were obtained by the linearized moment-axial force interaction curve for singly symmetric cross sections and the associated plastic flow rule. Secondly, the possible motion mechanisms of the beam under different load intensity were analysed in detail. For structures with plastic deformations, a simplified method was then given that the arbitrary impact load can be replaced equivalently by a rectangular pulse. Finally, to confirm the validity of the proposed method, the dynamic plastic response of a one-way stiffened plate with four fully clamped edges was calculated. The theoretical results were in good agreement with those of FEM. It indicates that the present calculation model is easy and feasible, and the equivalent substitution of load almost has no influence on the final deflection.     

加筋板的大挠度塑性动力响应研究

对加筋板的大挠度塑性动力响应进行了理论研究,应用单轴对称截面的线性化轴力-弯矩交互作用曲线和相关联的塑性流动法则推出了梁达到塑性弦状态所应满足的挠度条件.此外,详细地分析了梁在不同载荷情况下可能的运动模式.最后应用本文理论和有限元软件ANSYS、ABAQUS/Explicit对四边固支单向加筋板结构进行了求解.