復(fù)雜殼體耦合系統(tǒng)振聲特性及其主動(dòng)隔振策略研究.pdf

1、動(dòng)力機(jī)械是水下航行器的主要振動(dòng)源之一，其在工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)將傳遞給基礎(chǔ)，并通過殼體向外界流體介質(zhì)產(chǎn)生聲輻射，嚴(yán)重影響艦船的安全隱蔽性。主動(dòng)隔振可以有效降低殼體結(jié)構(gòu)振動(dòng)和對外聲輻射，在艦船減振降噪領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。然而，此方面的現(xiàn)有研究將主動(dòng)隔振系統(tǒng)與船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射問題分開來獨(dú)立研究，極大地制約了此類問題的進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用。本文結(jié)合實(shí)際的水下航行器結(jié)構(gòu)，建立了雙層主動(dòng)隔振-殼體-外界流場耦合系統(tǒng)的分析和控制理論模型，基于對該

2、模型的理論分析、仿真和試驗(yàn)研究，進(jìn)一步探討耦合系統(tǒng)的振動(dòng)能量傳遞特性及主動(dòng)隔振對殼體聲輻射的控制機(jī)理，以期為水下航行器主動(dòng)隔振系統(tǒng)-殼體結(jié)構(gòu)-聲輻射的分析、主動(dòng)隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和機(jī)械噪聲的主動(dòng)控制提供扎實(shí)可靠的理論依據(jù)和方法參考。本文開展的具體工作如下：
　　基于改進(jìn)的Fourier級(jí)數(shù)法與譜單元方法，提出了一種復(fù)雜殼體組合結(jié)構(gòu)的一般建模方法并建立了具有錐殼、加筋圓柱殼、球殼、艙室隔板、矩形板的殼體模型。該方法對彈性結(jié)構(gòu)位移分量采用

3、統(tǒng)一的容許函數(shù)進(jìn)行描述，并利用三維彈性耦合器構(gòu)建組合結(jié)構(gòu)的位移和力協(xié)調(diào)關(guān)系，這樣既可以更為切合實(shí)際地建立具有一般彈性邊界和耦合條件的組合殼體模型，又可以提升具有重復(fù)單元的組合結(jié)構(gòu)的建模效率，具有重要的實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。通過與數(shù)值軟件及現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果相比較，驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性和收斂性，并分析了耦合系統(tǒng)剛度系數(shù)、艙室隔板、加強(qiáng)環(huán)筋對結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響及強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)各子結(jié)構(gòu)間的振動(dòng)傳遞特性。設(shè)計(jì)并搭建了板殼組合結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)臺(tái)架，通過測取殼體結(jié)

4、構(gòu)的頻響函數(shù)驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性。
　　建立了的雙層隔振-殼體耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析模型。該理論模型中同時(shí)融合了經(jīng)典的剛體-剛體、剛體-彈性體耦合及本文提出的彈性體-彈性體耦合處理方法，可以在根本上以振型耦合的角度解讀耦合系統(tǒng)振動(dòng)傳遞的物理本質(zhì)，為實(shí)際中隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及振動(dòng)預(yù)報(bào)提供可靠的理論分析模型。搭建雙層隔振-板殼組合結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)平臺(tái)，從試驗(yàn)的角度驗(yàn)證了該理論分析模型的準(zhǔn)確性。結(jié)合耦合系統(tǒng)固有特性分析，開展耦合系統(tǒng)的功率流傳遞特

5、性和殼體結(jié)構(gòu)動(dòng)能的分布規(guī)律研究，并綜合考察隔振器對耦合系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性的影響機(jī)理。
　　建立了雙層隔振-殼體耦合系統(tǒng)的主動(dòng)控制模型。從耦合系統(tǒng)振動(dòng)傳遞及在殼體上的振動(dòng)分布兩個(gè)角度，分別設(shè)計(jì)了功率流最小化及結(jié)構(gòu)動(dòng)能最小化主動(dòng)控制策略?？紤]初級(jí)激勵(lì)力的不同形式，綜合分析主動(dòng)作動(dòng)器的安裝位置及數(shù)目對兩種策略控制效果的影響。結(jié)合殼體結(jié)構(gòu)動(dòng)能在各子結(jié)構(gòu)上的分布規(guī)律，設(shè)計(jì)了的結(jié)構(gòu)動(dòng)能最小化控制的優(yōu)化策略，并以結(jié)構(gòu)動(dòng)能為參考評估各優(yōu)化策略的控制

6、效果。通過加權(quán)矩陣的方法構(gòu)建受約束控制方案，并分析該方案對耦合系統(tǒng)振動(dòng)傳遞的控制效果，使得本文的研究更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　提出了一種將改進(jìn)的Fourier級(jí)數(shù)法與直接邊界元法相結(jié)合的聲固耦合方法，建立了水下航行器殼體結(jié)構(gòu)的流固耦合分析模型。該方法的建模過程對外界流體介質(zhì)、殼體結(jié)構(gòu)類型及耦合和邊界條件進(jìn)行了一般化地描述，因而在復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)的聲振特性分析領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。通過與數(shù)值軟件結(jié)果相比較，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和收斂性

7、。結(jié)合水下航行器殼體設(shè)計(jì)中存在的實(shí)際問題，深入分析外界流體介質(zhì)、內(nèi)部艙室隔板、加強(qiáng)環(huán)筋、雙層隔振系統(tǒng)對復(fù)雜殼體組合結(jié)構(gòu)振聲傳遞特性的影響機(jī)理，為殼體結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。
　　建立了雙層主動(dòng)隔振-殼體-外界流場耦合系統(tǒng)的分析模型。該模型將主動(dòng)隔振、復(fù)雜殼體組合結(jié)構(gòu)及外界流體介質(zhì)組成了有機(jī)統(tǒng)一的整體，對整體系統(tǒng)的分析將有利于準(zhǔn)確把握各部分振動(dòng)傳遞和聲輻射機(jī)理。設(shè)計(jì)了以殼體聲輻射為目標(biāo)的聲功率最小化控制策略，綜合分析初級(jí)激