基于结构声强法的层合结构振动声学特性及优化控制

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机械振动、噪声问题伴随着我国工农业生产、城市交通运输和旅游事业的发展而产生和彰显。从电子元件、消费器件到汽车和飞机,噪声和振动特性是产品设计中的关键因素。一定范围类的振动噪声影响人们之间声音的交流,削弱机器的性能,使驾驶员和乘客不适,发生疲劳,甚至产生疾病。现代工业的发展、人类社会的进步及市场竞争和消费意识的日益提高,对机械振动和噪声控制提出了更高的要求。因此,需要深入研究结构振动噪声控制的理论和有效的方法,本文的工作对完善结构振动噪声控制理论及实际应用技术具有十分重要的意义。   结构声强法是一门集多学科的结构振动噪声控制方法。结构声强法将固体力学、结构力学、声学、流体力学等多个学科集成在一个统一的优化平台上,它是建立在连续介质力学基本理论之上,将声学理论中的声强概念移植到结构动力学范畴,研究结构的应力与质点的运动。结构声强的向量图和流线图能提供关于能量传递路径、振动噪声源位置和能量汇合点位置及数量的许多信息。根据结构声强的向量图和流线图,可找出被动控制安置阻尼器和主动控制施加力的可能有效控制的位置。因此,结构振动噪声可根据上述信息加以控制。   本文选取航空航天设计领域中的主要构件--复合材料层合板及壳结构作为结构振动声学特性及优化控制的研究对象,借助流体力学中流线的概念,将结构声强法引入复合材料层合板结构在动荷载作用下的被动和主动内噪声的优化控制中,有效地改善复合材料层合板结构的声学性能。   本论文完成了如下的主要工作:   (1)运用弹性力学的基本方程和能量平衡方程推导了板、圆柱壳结构振动的结构声强计算表达式。建立了结构声强与结构的应力和质点的运动速度的关系。利用结构声强可统一处理结构和流体声场间耦合动力学问题,从而沟通了传统机械振动与声学间的联系。其中圆柱壳结构振动的结构声强计算表达式的结果进一步拓宽结构声强法的研究领域,丰富了结构振动声学特性的研究范围。   (2)针对复合材料层合板、壳结构振动声学特性问题,运用结构声强法研究了复合材料正交异性层合板在动集中力作用下的结构声强特性。将复合材料正交异性层合板与各向同性板两者的结构声强流线图进行比较,发现:前者的能量易于流动和传递,一定频率范围内能量源点和汇合点的位置易于互换,而后者仅表现出能量源的位置和数量发生改变;针对边界条件为四边简支、横向固支而纵向自由这两种情况研究了复合材料层合板边界条件、层合板叠层顺序和层数对结构声强流线特性的影响。   (3)研究了纤维/金属胶接层板(GLARE层板)在冲击荷载作用下的结构声强特性。讨论了边界条件和铺层角度对GLARE层板的结构声强流线特性的影响。发现:当方形GLARE层板四边简支时,铺层角度的变化对能量源点和汇合点位置及数目的影响不大;当边界条件为横向固支而纵向自由或横向自由而纵向固支时,“固支”的方向对结构声强流线整体面貌的影响为主导,此时,铺层角度的变化对源点和汇合点位置及数目的影响较大;在上述三种边界条件下,0°,30°,45°,60°,90°五种铺层角度下方形GLARE层板中心点的振动幅值由小到大的排列顺序各不相同,但未发现规律性的排列次序,四边简支时铺层角度对板中心点振动幅值影响最小。   (4)研究了孔的存在对复合材料正交异性层合板和各向同性板在冲击荷载作用下的结构声强特性的影响。针对复合材料正交异性层合板和各向同性板,分别比较有孔和无孔的结构声强向量图和流线图。得出结论:不论是复合材料正交异性层合板,还是各向同性板,孔的存在改变了能量流的传播途径、结构声强向量分布及应力大小;最大应力点位置并不对应最大结构声强位置。   (5)基于结构声强法研究了复合材料层合板箱形结构在动荷载作用下的被动和主动内噪声优化控制。将叠层顺序为[45°/-45°/45°/-45°]的碳纤维/环氧层合板与铝板分别组成的箱形结构的被动和主动噪声控制进行了比较。根据结构声强的向量图和流线图,得到被动控制安置阻尼器和主动控制施加力的可能的有效位置。再利用边界元法进行声场计算得到被动控制安置阻尼器和主动控制施加力的最优有效位置,实现了被动和主动噪声优化控制的目的。   最后,提出了进一步工作的方向:(1)开展结构声强的实验研究;(2)对工程中常见的发生质量和刚度突变的组合形板结构和壳结构进行结构声强特性的研究;(3)基于结构声强法研究复合材料圆柱壳结构内噪声优化控制。(4)解决高频率下结构声振动问题时可采用统计能量法,将统计能量法中运用的功率来进行结构的减振降噪与本文使用的结构声强法进行对比是下一步的工作。
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