基于結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)法的層合結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲學(xué)特性及優(yōu)化控制.pdf

1、機(jī)械振動(dòng)、噪聲問(wèn)題伴隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市交通運(yùn)輸和旅游事業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生和彰顯。從電子元件、消費(fèi)器件到汽車(chē)和飛機(jī)，噪聲和振動(dòng)特性是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。一定范圍類(lèi)的振動(dòng)噪聲影響人們之間聲音的交流，削弱機(jī)器的性能，使駕駛員和乘客不適，發(fā)生疲勞，甚至產(chǎn)生疾病。現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展、人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和消費(fèi)意識(shí)的日益提高，對(duì)機(jī)械振動(dòng)和噪聲控制提出了更高的要求。因此，需要深入研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲控制的理論和有效的方法，本文的工作對(duì)完善結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲

2、控制理論及實(shí)際應(yīng)用技術(shù)具有十分重要的意義。
　　 結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)法是一門(mén)集多學(xué)科的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲控制方法。結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)法將固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、聲學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科集成在一個(gè)統(tǒng)一的優(yōu)化平臺(tái)上，它是建立在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基本理論之上，將聲學(xué)理論中的聲強(qiáng)概念移植到結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)范疇，研究結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)的向量圖和流線(xiàn)圖能提供關(guān)于能量傳遞路徑、振動(dòng)噪聲源位置和能量匯合點(diǎn)位置及數(shù)量的許多信息。根據(jù)結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)的向量圖和流線(xiàn)圖，可找出被動(dòng)控制安

3、置阻尼器和主動(dòng)控制施加力的可能有效控制的位置。因此，結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲可根據(jù)上述信息加以控制。
　　 本文選取航空航天設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的主要構(gòu)件--復(fù)合材料層合板及殼結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲學(xué)特性及優(yōu)化控制的研究對(duì)象，借助流體力學(xué)中流線(xiàn)的概念，將結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)法引入復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的被動(dòng)和主動(dòng)內(nèi)噪聲的優(yōu)化控制中，有效地改善復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能。
　　 本論文完成了如下的主要工作：
　　 (1)運(yùn)用彈性力學(xué)的基本方

4、程和能量平衡方程推導(dǎo)了板、圓柱殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)計(jì)算表達(dá)式。建立了結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)與結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系。利用結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)可統(tǒng)一處理結(jié)構(gòu)和流體聲場(chǎng)間耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，從而溝通了傳統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)與聲學(xué)間的聯(lián)系。其中圓柱殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)計(jì)算表達(dá)式的結(jié)果進(jìn)一步拓寬結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)法的研究領(lǐng)域，豐富了結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲學(xué)特性的研究范圍。
　　 (2)針對(duì)復(fù)合材料層合板、殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲學(xué)特性問(wèn)題，運(yùn)用結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)法研究了復(fù)合材料正交異性層合板在動(dòng)集中力作用下的

5、結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)特性。將復(fù)合材料正交異性層合板與各向同性板兩者的結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)流線(xiàn)圖進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)：前者的能量易于流動(dòng)和傳遞，一定頻率范圍內(nèi)能量源點(diǎn)和匯合點(diǎn)的位置易于互換，而后者僅表現(xiàn)出能量源的位置和數(shù)量發(fā)生改變；針對(duì)邊界條件為四邊簡(jiǎn)支、橫向固支而縱向自由這兩種情況研究了復(fù)合材料層合板邊界條件、層合板疊層順序和層數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)流線(xiàn)特性的影響。
　　 (3)研究了纖維/金屬膠接層板(GLARE層板)在沖擊荷載作用下的結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)特性。討論了邊界條件和

6、鋪層角度對(duì)GLARE層板的結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)流線(xiàn)特性的影響。發(fā)現(xiàn)：當(dāng)方形GLARE層板四邊簡(jiǎn)支時(shí)，鋪層角度的變化對(duì)能量源點(diǎn)和匯合點(diǎn)位置及數(shù)目的影響不大；當(dāng)邊界條件為橫向固支而縱向自由或橫向自由而縱向固支時(shí)，“固支”的方向?qū)Y(jié)構(gòu)聲強(qiáng)流線(xiàn)整體面貌的影響為主導(dǎo)，此時(shí)，鋪層角度的變化對(duì)源點(diǎn)和匯合點(diǎn)位置及數(shù)目的影響較大；在上述三種邊界條件下，0°，30°，45°，60°，90°五種鋪層角度下方形GLARE層板中心點(diǎn)的振動(dòng)幅值由小到大的排列順序各不相同，但未

7、發(fā)現(xiàn)規(guī)律性的排列次序，四邊簡(jiǎn)支時(shí)鋪層角度對(duì)板中心點(diǎn)振動(dòng)幅值影響最小。
　　 (4)研究了孔的存在對(duì)復(fù)合材料正交異性層合板和各向同性板在沖擊荷載作用下的結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)特性的影響。針對(duì)復(fù)合材料正交異性層合板和各向同性板，分別比較有孔和無(wú)孔的結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)向量圖和流線(xiàn)圖。得出結(jié)論：不論是復(fù)合材料正交異性層合板，還是各向同性板，孔的存在改變了能量流的傳播途徑、結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)向量分布及應(yīng)力大??；最大應(yīng)力點(diǎn)位置并不對(duì)應(yīng)最大結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)位置。
　　 (5)

8、基于結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)法研究了復(fù)合材料層合板箱形結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的被動(dòng)和主動(dòng)內(nèi)噪聲優(yōu)化控制。將疊層順序?yàn)閇45°/-45°/45°/-45°]的碳纖維/環(huán)氧層合板與鋁板分別組成的箱形結(jié)構(gòu)的被動(dòng)和主動(dòng)噪聲控制進(jìn)行了比較。根據(jù)結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)的向量圖和流線(xiàn)圖，得到被動(dòng)控制安置阻尼器和主動(dòng)控制施加力的可能的有效位置。再利用邊界元法進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算得到被動(dòng)控制安置阻尼器和主動(dòng)控制施加力的最優(yōu)有效位置，實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)和主動(dòng)噪聲優(yōu)化控制的目的。
　　 最后，提出了