基于不同理论模型的加筋层合板壳声振特性研究

论文摘要

复合材料层合板壳结构具有质量轻、刚度大、优良的吸能性能等多功能特性而被广泛应用于航空航天、船舶与海洋工程等领域。但是有关周期加筋层合板壳结构振动和声辐射理论方面的研究较少。本文以航行态潜艇为工程背景,建立了均匀流中三类典型潜艇结构振动和声辐射的理论模型:单层、双层和圆柱周期加筋层合板壳声振理论模型,数值仿真与模型试验研究用于验证理论模型的有效性。本文旨在为典型潜艇结构声学设计提供一定的理论支撑。主要的工作安排如下:本文第一部分主要从流体状态,板壳理论及结构形式三个方面,对周期加筋板壳结构声振特性的研究现状进行了概述,在此基础上指出了目前航行态潜艇结构水下振动和声辐射理论预报中的薄弱环节,并确定了后续研究工作的提纲。以均匀流中无限大平板为研究对象,基于对流波动方程和边界条件,提出了使用傅里叶变换法结合稳相法在波数域中求解无限大受力平板振动和声辐射响应的基本思路。针对无限大平行加筋板,先分析加强筋的受迫弯曲和扭转运动,得到其作用在平板上的反力和力矩,借助脉冲函数（δ）和泊松求和公式来处理离散分布线力和力矩的作用,建立了均匀流中平行加筋板的声振耦合理论模型,得到了矩阵形式的求解表达式。然后在保证结果收敛的前提下将其截断成有限大来进行数值求解。通过与数值仿真及现有理论模型计算结果对比验证了本文理论模型的有效性。利用横向位移谱和辐射声压研究了不同系统参数对结构声-振耦合特性的影响。针对面板为各向异性材料或各向同性材料及加强筋为等间距正交分布的情况,本文通过引入广义动刚度和动柔度的概念,建立了均匀流中正交加筋板结构一般形式下的声振耦合理论模型。对于面板为各向同性材料的情况,一方面采用数值截断方法来计算结构的辐射声压;另一方面自主设计模型试验来测量有限大正交加筋板的水下辐射声压;先将数值结果与模型试验结果对比,二者变化趋势基本相同,然后再与现有理论结果对比,二者吻合良好,验证了本文理论模型的有效性。通过横向位移谱及辐射声压揭示了不同系统参数对结构声-振耦合特性的影响规律。基于一阶剪切变形理论,同时借助广义动刚度和动柔度来处理层合平板,推导出了正交加筋层合平板一般形式的声-振控制方程。然后采用与上一章相同的建模思路,建立正交加筋层合板声振耦合系统一般形式的理论模型,给出振动响应和辐射声压的解析解。对于面板选各向同性材料时,对比了一阶剪切变形层合板理论与经典薄板及层合板理论三种平板理论的声压结果,前者与后两者在中高频段声压出现了差异。最后进行数值分析,研究了不同系统参数对正交加筋层合板结构振动和声辐射特性的影响规律。针对外板为层合平板的双层平行加肋平板结构,采用近似的“质量-弹簧-质量”系统来模拟中间层平行肋板对内外面板的反作用力和反力矩。首先假设弹簧的等效拉力,扭矩及集中质量“均摊”到内外面板上,得到了一种简单的单谐波理论模型。然后,将它们等间距“离散”在内外面板上,通过充分考虑结构的周期特性及利用泊松求和公式,得到了一种更高精度的多谐波理论模型。两种理论模型都按照上一章的方法来处理层合平板,都是一般形式的理论模型。基于此,通过数值分析研究了不同系统参数的影响。针对内板和外板都为层合平板及被二维正交肋板加强的双层平板结构,同样将加强肋板对内外板的影响用离散分布的等效弹簧,扭簧和集中质量的组合来近似代替。然后通过拓展上一章的研究,建立了双层正交加肋平板结构声-振耦合系统统一形式的理论模型。通过与现有全金属正交加筋夹层板结构的声辐射结果对比,验证了本文对于加强肋板的等效处理方式的合理性。接着研究了不同系统参数对结构的振动和声辐射特性的影响。基于一阶剪切变形层合壳体理论和利用柱坐标中的对流波动方程和边界条件,周期环肋通过法向线力和力矩与壳体耦合在一起,建立了均匀流中周期加肋层合圆柱壳的声辐射理论模型,给出计算结构响应的矩阵表达式,在波数域中利用稳相法得到了远场声压的解析表达式。通过对比不同层合壳体理论及环肋处理方式的远场声压,验证了本文理论模型的有效性。最后通过参数研究给出了一些降低加肋圆柱壳辐射噪声的建议。最后,对周期加筋板壳结构的振动和声辐射做了总结,并且指出了后续要研究工作的重心。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究概述
• 1.2.1 基本概念和内涵
• 1.2.2 研究方法概述
• 1.2.3 层合结构在潜艇中的应用
• 1.2.4 单层加筋板模型
• 1.2.5 双层加肋板模型
• 1.2.6 加肋圆柱壳模型
• 1.2.7 有航速时板壳模型
• 1.2.8 国内研究概述
• 1.3 国内外研究概述小结
• 1.4 本文主要工作
• 1.5 本文的创新成果
• 1.6 本论文的结构框架
• 第2章 有航速时单层平行加筋板声振理论模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 无限大光滑平板
• 2.2.1 物理模型
• 2.2.2 均匀流中的波动方程和边界条件
• 2.2.3 受力光滑平板的声振耦合方程
• 2.2.4 波数域中求解
• 2.2.5 横向位移谱和远场辐射声压级
• 2.3 无限大平行加筋板
• 2.3.1 物理模型
• 2.3.2 平行加筋板的声振耦合方程
• 2.3.3 加强筋的反力和反力矩
• 2.3.4 波数域中求解
• 2.4 数值截断方法
• 2.5 数值结果与讨论
• 2.5.1 参数定义
• 2.5.2 理论模型验证
• 2.5.3 收敛性验证
• 2.5.4 加强筋作用的影响
• 2.5.5 流体运动的影响
• 2.5.6 材料的影响
• 2.5.7 作用点位置的影响
• 2.5.8 平板厚度的影响
• 2.5.9 加强筋间距的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 各向异性单层正交加筋板声振理论模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 正交加筋板一般形式的理论模型
• 3.2.1 问题描述
• 3.2.2 正交加筋薄板的声振耦合方程
• 3.2.3 加强筋的反力和反力矩
• 3.2.4 波数域中求解
• 3.2.5 横向位移谱和远场辐射声压级
• 3.3 试验验证
• 3.3.1 试验模型
• 3.3.2 试验原理
• 3.3.3 试验测量
• 3.3.4 结果对比和误差分析
• 3.4 数值结果与讨论
• 3.4.1 参数定义
• 3.4.2 理论模型验证
• 3.4.3 收敛性分析
• 3.4.4 加强筋扭转运动的影响
• 3.4.5 各向同性及异性加筋板横向位移谱比较
• 3.4.6 各向同性及异性加筋板辐射声压比较
• 3.4.7 等效的各向异性平板模型
• 3.4.8 作用点位置的影响
• 3.4.9 平板厚度的影响
• 3.4.10 加强筋均布间距的影响
• 3.4.11 加强筋非均布间距的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 计及剪切效应正交加筋层合板声振理论模型研究
• 4.1 引言
• 4.2 正交加筋层合板一般形式的声振理论模型
• 4.2.1 问题描述
• 4.2.2 振动控制方程的建立
• 4.2.3 层合板等效刚度
• 4.2.4 经典层合板理论
• 4.3 方程的求解
• 4.3.1 基本求解思路
• 4.3.2 确定光滑层合平板的广义动柔度
• 4.4 横向位移谱和远场辐射声压级
• 4.5 数值结果与讨论
• 4.5.1 参数定义
• 4.5.2 三种平板理论下层合平板的远场辐射声压
• 4.5.3 层合平板弯曲运动的横向位移谱
• 4.5.4 敷设角度对层合平板振动和声辐射特性的影响
• 4.5.5 损耗因子对层合平板振动和声辐射的影响
• 4.5.6 对称与反对称层合平板
• 4.5.7 不同加筋形式下层合平板的远场辐射声压
• 4.5.8 结构参数对正交加筋层合平板声辐射特性的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 双层平行加肋层合板声振理论模型研究
• 5.1 引言
• 5.2 单谐波理论模型
• 5.2.1 问题描述
• 5.2.2 平行肋板的等效处理
• 5.2.3 平行肋板的反力和反力矩
• 5.2.4 控制方程
• 5.2.5 波动方程和边界条件
• 5.2.6 单谐波模型的求解
• 5.3 多谐波理论模型
• 5.3.1 系统方程
• 5.3.2 多谐波模型的求解
• 5.4 结构的远场声辐射和横向位移谱
• 5.5 数值分析与讨论
• 5.5.1 参数定义
• 5.5.2 收敛性分析
• 5.5.3 单谐波模型的结果
• 5.5.4 单谐波模型和多谐波模型之间的对比
• 5.5.5 系统参数对远场声辐射的影响
• 5.5.6 系统参数对横向位移波数谱的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 双层正交加肋层合板声振理论模型研究
• 6.1 引言
• 6.2 理论模型
• 6.2.1 问题描述
• 6.2.2 加强肋板反力和反力矩的处理
• 6.2.3 系统方程
• 6.2.4 波动方程和边界条件
• 6.2.5 系统方程求解
• 6.3 远场辐射声压级和横向位移谱
• 6.4 数值分析与讨论
• 6.4.1 参数定义
• 6.4.2 理论模型的验证
• 6.4.3 收敛性分析
• 6.4.4 加强肋板惯性效应的影响
• 6.4.5 等效拉伸和扭转刚度的影响
• 6.4.6 舷间及外场水的影响
• 6.4.7 不同加肋形式下的声辐射特性
• 6.4.8 作用点位置的影响
• 6.4.9 中间层高度的影响
• 6.4.10 加强肋板间距的影响
• 6.4.11 面板厚度的影响
• 6.4.12 结构内外面板的横向位移谱
• 6.5 本章小结
• 第7章 有航速时加肋层合圆柱壳声辐射理论模型研究
• 7.1 引言
• 7.2 理论模型
• 7.2.1 问题描述
• 7.2.2 对流波动方程与边界条件
• 7.2.3 环向肋骨对壳体的作用力和力矩
• 7.2.4 振动控制方程的建立
• 7.3 控制方程求解
• 7.3.1 流体载荷
• 7.3.2 控制方程的傅里叶变换
• 7.3.3 环肋的反力和反力矩
• 7.3.4 外部激励力
• 7.3.5 方程的截断求解
• 7.4 远场辐射声压级
• 7.5 数值结果与讨论
• 7.5.1 参数定义
• 7.5.2 收敛性分析
• 7.5.3 模型有效性验证
• 7.5.4 环肋扭转运动的影响
• 7.5.5 周期加强环肋的影响
• 7.5.6 复合壳体材料铺设角度
• 7.5.7 环肋间距的影响
• 7.5.8 壳体厚度的影响
• 7.5.9 圆柱半径的影响
• 7.5.10 马赫数（Ma）的影响
• 7.5.11 对称与反对称层合壳体的声辐射曲线
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录