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《大连理工大学》 2011年
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基于声强可视化的船舶结构声振能量特性研究

李凯  
【摘要】:船舶结构振动与噪声控制是一项十分必要的研究课题,它涉及到船舶在运行过程中对环境的影响、舒适性、结构安全性和隐身性等方面。因此,有效减少振动和噪声已成为船舶结构设计的一个重要目标。在船舶设计的早期阶段就需要考虑到声振要求,针对舰船中存在的结构噪声源进行分析,研究声振动在船体结构中产生、传播和耗散的机理和规律,使所建造的舰船满足低振动、低噪声的要求。本课题正是围绕这一出发点开展理论和数值研究。 介绍了结构声振动传递问题的主要研究方法:对国内外结构振动声强试验和计算方法的研究进行了系统的总结;归纳了角谱声学和科学计算可视化的研究现状;并进行了板梁组合结构有限元模型固有频率的分析。 针对船舶结构中广泛使用的加筋板,基于结构声强法研究了加筋板振动能量的传输,分布和耗散特性。介绍了结构声强分量的计算可视化的相关理论,以及系统功率输入和输出的计算公式;在数值算例中,利用有限元法对三种常见的加筋板模型进行了简谐集中力作用下的动力计算,然后通过编制程序计算结构声强分量,进行结构噪声源的定位,实现能量传输和衰减的可视化;同时针对不同的加筋形式对能量传递路径的影响也进行了讨论;研究了不同加筋板阻尼器能量耗散特性。最后以舰船平台板架为例揭示了结构声强技术在舰船振动设计的应用价值。 在振动声强计算程序的基础上将流线可视化和振动能量可视化技术集成起来,基于Matlab软件完成动力分析和数据计算的相互调用,实现振动能量流的集成可视化显示;编制了数值仿真交互可视化界面,通过后台的调用计算,从而取代人工重复性的工作,在实际工程问题中可以节省很多计算时间和成本。借助于集成可视化技术可以准确揭示振动能量在耦合板中的传递分布特性,分析振动波在复杂耦合结构中的传播机理及在进一步实施主/被动控制中提供更准确的科学依据。 针对船舶与海洋工程中常见的开口结构,基于振动能量可视化技术进行了开口加筋板能量流动特性的研究和振动抑制的探索。推导了结构声强和振动能量的平衡关系;分析表明,结构开口的出现,显著影响了振动能量在加筋板结构中的传递和分布;振动能量主要集中于开口的边界位置,应变能的最大幅值大多位于激励点位置和开口的夹角处。基于能量传递和分布可视化图,准确的判定敷设约束阻尼层的位置和数量,有效的控制开口加筋平板结构的振动响应,同时显著降低结构声能量的传递。 对于流体加载结构振动和声学特性研究,介绍了声振能量传递和声固耦合相关理论;给出了结构振动能量与声辐射能量的关系,并从能量的角度出发,探讨了流体载荷对振动能量流动的影响,其中包括流体参数,激励频率等。通过辐射声强矢量图可以明显的观察到结构声的近场效应,即振动能量会从空间流向板的表面,此时流体介质对结构的反作用力不断的将能量返回给振动板表面,这一个流动过程体现了能量在流体和结构表面之间的交换和守恒,能量在这一区域流出和流入趋于稳定,因此大部分的能量驻留在结构的近场。由理论公式可知,声能量的量级主要取决于板单元的响应贡献的叠加,而结构声强则取决于振动能量在板结构中的分布和大小。因此可以通过改变或耗散结构振动能量的方法,进而控制声辐射能量的大小;通过能量可视化技术可以清晰的揭示能量集中的区域,在能量输入点和能量聚集区域确定合理的能量耗散控制点,通过添加外部阻尼器的方法,探讨阻尼耗散对频段内声振动能量传递的影响,取得了一些有实用价值的结论。 对于结构声振动传递问题,从波数域角度入手,从本质上研讨振动波在介质中传递的波矢分量特性。应用声学角谱法,推导了典型平面倏逝波相位空间分布的解析表达式;给出了有限声源辐射场的角谱函数公式和可视化表达;在波数域求解了流体加载无限大平板在集中力和分布线力作用下的振动响应问题,推导了简支矩形板的波数域模态速度响应解析表达式;给出了不同激励参数下简支平板波数域结构声强可视化图;同时计算分析了不同板厚和流体密度对流体加载板临界频率的影响。 本文从声振能量可视化的角度,以数值仿真结合理论推导为主,从物理和波数空间共同揭示结构声振传递规律,为结构声辐射机理及控制研究提供简捷、准确的理论依据。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:U661.44

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 李秋红;双半轴式转台结构振动传递特性研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
【参考文献】
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【共引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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7 龚友;王宪增;沈礼庆;;厢式半挂车有限元分析[A];第二届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2006年
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9 陕小平;刘广华;邹连阳;李一心;谢宏峰;张红军;;ANSYS在顶驱减速箱设计中的应用[A];第三届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2007年
10 谢长川;徐焱;杨超;;几何非线性气动弹性及其在我国的研究现状[A];第十届全国空气弹性学术交流会会议论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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7 曾芳;大型滑履磨机结构分析及焊接工艺研究[D];武汉理工大学;2010年
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10 窦建洪;基于犬双心室电力学复合模型的心力衰竭仿真研究[D];浙江大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 武炜;煤矿井下火灾事故人员逃生可视化技术研究[D];河南理工大学;2010年
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4 宋家勇;安林煤矿炮放面矿压显现规律及顶煤冒放性预测研究[D];河南理工大学;2010年
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10 宁小文;二阶弹塑性分析在钢结构抗震设计中的应用研究[D];安徽农业大学;2010年
【同被引文献】
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1 周长义;三轴飞行仿真转台控制系统设计与控制算法研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2005年
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1 李志佳;高频响三轴转台O型框架的拓扑分析和优化设计[D];哈尔滨工业大学;2007年
【二级参考文献】
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3 王伟臣;电力系统在线安全分析的可视化与并行计算技术研究[D];天津大学;2010年
4 李晓静;黄河可视化防汛预案管理系统的设计与实现[D];解放军信息工程大学;2008年
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10 陈茂松;基础地理信息管理表达及重力数据显示研究[D];解放军信息工程大学;2008年
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