航空薄壁結(jié)構(gòu)在隨機聲載荷作用下的振動響應(yīng)研究.pdf

1、本文針對現(xiàn)代飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中的聲疲勞問題，主要研究了航空薄壁板殼結(jié)構(gòu)在高聲級寬頻帶隨機噪聲載荷作用下的振動響應(yīng)的計算和分析方法。 在基本理論研究基礎(chǔ)上，首先以基本結(jié)構(gòu)單元，包括矩形薄壁板、薄壁圓柱殼作為對象，建立聲激勵響應(yīng)的物理模型和數(shù)學模型，重點探討了響應(yīng)的估算方法和數(shù)值求解方法。通過算例，分析了結(jié)構(gòu)在隨機聲載荷作用下的響應(yīng)特征，并進行影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)的有關(guān)參數(shù)對比分析。然后將所研究的數(shù)值方法應(yīng)用于航空發(fā)動機環(huán)形燃燒室火焰筒薄壁

2、殼結(jié)構(gòu)在燃燒室內(nèi)部噪聲激勵下的響應(yīng)估算。 (1)薄壁板在聲載荷作用下均方位移和應(yīng)力響應(yīng)的估算。選取各向同性金屬薄壁板結(jié)構(gòu)作為對象，采用基于正交模態(tài)法的線性模型，實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)在隨機噪聲載荷作用下動態(tài)響應(yīng)的估算。詳細討論了參與計算的模態(tài)階數(shù)和邊界條件對響應(yīng)的影響。算例中采用具有四邊固支邊界條件的矩形硬鋁薄壁板試驗件作為對象，以試驗測得的噪聲載荷作輸入，計算該結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行了比較。 (2)薄壁板在

3、聲載荷作用下振動響應(yīng)譜的估算方法。從受迫振動微分方程出發(fā)，在結(jié)構(gòu)模態(tài)分析基礎(chǔ)上，采用結(jié)合受納函數(shù)描述結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲場空間壓力分布的耦合關(guān)系，建立基于正交模態(tài)法的動態(tài)響應(yīng)譜計算模型。算例中對金屬薄壁板單元的聲激勵響應(yīng)譜的計算結(jié)果，反映出寬頻多模態(tài)的特征。該方法清楚地揭示了聲激勵載荷、結(jié)構(gòu)模態(tài)和振動響應(yīng)之間的關(guān)系。 (3)研究了一種基于耦合的邊界元/有限元聲激勵響應(yīng)分析的聲疲勞應(yīng)力估算方法。該方法用積分方程描述聲對結(jié)構(gòu)的作用關(guān)系，結(jié)

4、構(gòu)的動力學特性分析采用有限元方法實現(xiàn)，載荷聲場特性采用聲學邊界元方法加以模擬，將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運動方程和載荷聲場的積分方程聯(lián)立，利用接觸邊界條件進行求解。研究了基于輸出位移響應(yīng)功率譜密度(PSD)，根據(jù)隨機信號分析理論和彈性力學，計算隨機應(yīng)力響應(yīng)的方法。選擇薄壁圓柱殼和帶有開孔的薄壁圓柱殼兩種模型，實現(xiàn)了擴散聲場中隨機聲載荷作用下的振動響應(yīng)計算，包括位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)，論述了算法具體實現(xiàn)方法，載荷和邊界的處理方法。討論了柱殼結(jié)構(gòu)在隨機聲載荷

5、作用下的響應(yīng)特征。 (4)應(yīng)用“基于耦合的邊界元/有限元聲激勵響應(yīng)分析的聲疲勞應(yīng)力估算方法”，計算航空發(fā)動機環(huán)形燃燒室火焰筒薄壁殼結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)及應(yīng)力。首先對燃燒室火焰筒薄壁殼結(jié)構(gòu)模態(tài)進行有限元計算，利用耦合的邊界元/有限元方法，以實測燃燒室內(nèi)部噪聲載荷作輸入模擬火焰筒周圍的擴散聲場，實現(xiàn)振動位移響應(yīng)的計算。然后采用本文提出的方法，計算出結(jié)構(gòu)隨機聲疲勞應(yīng)力響應(yīng)。并結(jié)合計算結(jié)果討論了火焰筒薄壁殼結(jié)構(gòu)在聲載荷作用下的位移和應(yīng)力響應(yīng)