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《大连理工大学》 2008年
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内腔声—结构耦合系统的数值模拟与优化设计

陈钢  
【摘要】: 噪声控制技术是工程界普遍关心的问题。目前,对于空腔内噪声的研究越来越受到重视,例如汽车、轮船、飞机等乘坐室,由于空腔形状的复杂性,用传统的理论方法很难取得满意的结果,目前主要通过实验技术和各种数值方法的研究来控制噪声。本文通过数值模拟技术,对空腔噪声进行优化设计研究,可实现在设计阶段对乘坐室等腔内噪声响应的理论分析、预测及优化设计。 本文在论述了内腔声-结构系统数值方法的历史及其现状的基础上,给出了内腔声-结构耦合系统的有限元方程和合理高效的求解算法,进一步提出了尺寸、形状、拓扑三个层次的优化设计模型,详细推导了灵敏度分析公式,给出了优化求解方法。特别是在随机激励下内腔声-结构耦合系统的求解方法、灵敏度分析及优化设计方面做了深入研究和有益的探讨。 本文的工作是结合大型结构分析和优化软件JIFEX的现有方法和功能,进一步发展了内腔声-结构耦合系统的动力分析和优化设计的功能模块。本文的主要工作包括以下几部分: 第一章综述了噪声控制技术的研究现状以及目前主要遇到的问题,论述了目前应用于声学领域的各种研究方法,包括有限元法、边界元法、统计能量法等,同时介绍了本文的软件开发平台JIFEX,给出了本论文的主要研究内容。 第二章由声学波动方程及各类边界条件的等效积分弱形式推导出小阻尼声场的有限元方程。在此基础上,假设声压向量的非负性,求解小阻尼声场有限元方程。利用半解析方法计算了声学刚度阵、质量阵和阻尼阵的导数,并且用全局差分方法进行了校核,最后分别以特征频率和声压级响应为目标函数,对三维汽车模型的声场特性进行了边界形状优化,得到了满意的优化结果。 第三章推导了内腔声-结构耦合系统方程,采用静凝聚法消除了质量矩阵的奇异性,采用了求解耦合系统非对称系数矩阵特征对的共轭子空间迭代算法,并证明了耦合系统左右特征向量的关系以及正交归一化条件。采用模态法、直接法和迭代法求解耦合系统响应,并通过数值算例证明了方法和程序的正确性和可行性。 第四章研究了稳态激励下内腔声-结构耦合系统的特征频率和声压响应的灵敏度分析和优化设计方法。首先建立了尺寸、形状优化设计模型,给出了灵敏度分析算法。然后结合结构拓扑优化设计理论,建立了声场-结构耦合系统的拓扑优化模型,推导了拓扑设计变量的灵敏度公式。并利用材料分布拓扑优化方法,对内腔声-结构耦合系统的刚度层分布进行了拓扑优化设计。 第五章研究了随机激励下内腔声-结构耦合系统的分析求解方法。考虑到随机激励下耦合问题算法求解的精度和效率,提出了一种求解耦合系统随机响应的迭代算法,并在每个迭代步过程中采用了虚拟激励法求解。通过求解过程的推导可以发现,虚拟激励法除了保持结构动力随机分析中高效的特点外,对于声固耦合系统的迭代求解,在计算效率上还具有常规算法无法比拟的优势。 第六章推导了随机声学响应功率谱的灵敏度分析公式,并与差分法比较。以空腔内某点的随机声压级响应功率谱和内腔平均声压级响应功率谱为目标函数,以结构重量作为约束函数,以结构的厚度作为设计变量,建立了随机激励作用下的内空腔声-结构耦合系统的声学优化设计模型。通过修改SIMP模型和RAMP模型,建立了随机激励下耦合系统的拓扑优化模型,给出了优化求解算法。数值算例验证了本章提出的灵敏度分析方法的正确性,以及各种随机响应优化模型的可行性,为工程设计提供了有效的参考依据。 最后对全文进行了总结和展望。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TB535

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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 牛斌;基于结构和材料一体化的多尺度动力优化设计[D];大连理工大学;2010年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 钟万勰;一个多用途的结构分析程序JIGFEX(一)[J];大连工学院学报;1977年03期
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4 董绍强,廖道训,陆永忠;结构频率响应灵敏度计算及响应修改研究[J];华中科技大学学报;2001年10期
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10 江允正,曲淑英,初明进;连续体结构拓扑优化[J];计算力学学报;2003年02期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 赵岩;桥梁抗震的线性/非线性分析方法研究[D];大连理工大学;2003年
2 张军;声学—结构灵敏度及结构—声学优化设计研究[D];大连交通大学;2006年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨铭;重力式挡土墙优化设计[J];四川建筑科学研究;1987年02期
2 郑颐,朱伯龙,程才渊;灰砂砖墙体振动台试验研究[J];四川建筑科学研究;1989年03期
3 郑颐,朱伯龙,程才渊;带构造柱灰砂砖墙体振动台试验研究[J];四川建筑科学研究;1989年04期
4 程才渊,朱伯龙,郑颐;灰砂砖房屋的地震反应分析及比较[J];四川建筑科学研究;1989年04期
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6 范君艳;王凤武;范建蓓;徐志扬;;加权函数法消除长期项中阻带宽度的讨论[J];四川建筑科学研究;2008年01期
7 郑宇;王月明;吴芳;毛杰;;底部框架—抗震墙结构在平稳随机干扰下的响应[J];四川建筑科学研究;2008年01期
8 鲜荣;廖海黎;李明水;;空间网壳结构风振系数计算分析[J];四川建筑科学研究;2009年05期
9 李永华;李思明;;弱连体结构地震反应分析[J];四川建筑科学研究;2010年01期
10 侯俊锋;苏三庆;王社良;;某砖石古塔动力特性测试研究[J];四川建筑科学研究;2010年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 谷敏杰;李绪泉;王刚;;列车空调风道用消声器的性能研究[A];中国建筑学会建筑热能动力分会第十七届学术交流大会暨第八届理事会第一次全会论文集[C];2011年
2 江春冬;贾海朋;杜太行;张磊;江春波;;进化算法在结构拓扑优化中的应用[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
3 钱伟鑫;李丹;;CNG加气站压缩机噪声控制[A];2011'中国西部声学学术交流会论文集[C];2011年
4 谢荣基;彭良兵;万宇鹏;;某酒店中央新风系统振动噪声控制[A];2011'中国西部声学学术交流会论文集[C];2011年
5 周远波;谢荣基;鄂治群;;西南民族大学录音棚声学设计[A];2011'中国西部声学学术交流会论文集[C];2011年
6 姜在秀;王佐民;;缝隙对构件隔声量的影响[A];第二届西安-上海两地声学学术会议论文集[C];2011年
7 苏成;徐瑞;;大型复杂结构非平稳随机振动时域显式法[A];全国结构振动与动力学学术研讨会论文集[C];2011年
8 张安平;陈国平;;基础平稳随机激励下基于有限测点响应的结构动态响应计算[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)上册[C];2011年
9 张桥;张卫红;朱继宏;;动响应拓扑优化设计改进[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)下册[C];2011年
10 王亚涛;包淼;范明星;;光学设备隔振平台的隔振性能研究[A];现代振动与噪声技术(第九卷)[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张春玉;预应力空间网格结构优化理论及可靠性分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 吕文磊;压差式光纤矢量水听器基元与测试技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 魏浩征;高压直流输电系统可听噪声预测系统的研究[D];合肥工业大学;2010年
4 段志东;基于广义模块化设计的快锻液压机机架力学特性研究[D];兰州大学;2010年
5 徐瑞;大型复杂结构非平稳随机振动分析方法研究[D];华南理工大学;2010年
6 赵晓丹;基于非先验函数系的信号识别[D];江苏大学;2010年
7 刘佩;随机地震作用下结构动力可靠度计算方法研究[D];北京交通大学;2011年
8 范菊莉;人血小板冷冻干燥保存工艺的优化研究[D];浙江大学;2009年
9 曾岩;非高斯随机激励下非线性系统的随机平均法[D];浙江大学;2010年
10 赵明;斜拉索随机最优主动/半主动控制[D];浙江大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李伟;基于ANSYS平台的拓扑优化方法研究及其在离心机吊篮结构设计中的应用[D];中国工程物理研究院;2010年
2 胡婷萍;大厚度电子束焊缝的超声检测及缺陷散射信号的研究[D];南昌航空大学;2010年
3 丁晓;泡沫铝复合结构声学性能分析与实验研究[D];山东科技大学;2010年
4 郭晓斌;罗茨鼓风机低噪声结构与内流数值模拟研究[D];山东科技大学;2010年
5 何敬玉;罗茨鼓风机振动噪声分析与数值模拟研究[D];山东科技大学;2010年
6 石琢;纤维/颗粒—树脂基层合复合材料的吸声性能研究[D];浙江理工大学;2010年
7 闫利利;起重机箱形梁的拓扑优化研究[D];郑州大学;2010年
8 刘翔;空心板简支梁桥地震非线性碰撞研究[D];郑州大学;2010年
9 匡霞;CA6120U22D1型客车车架的随机振动和疲劳分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 邹欢;双层壳体结构水下辐射声场数值预报方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨德庆,柳拥军,金咸定;薄板减振降噪的拓扑优化设计方法[J];船舶力学;2003年05期
2 杜善义;;先进复合材料与航空航天[J];复合材料学报;2007年01期
3 王博;王斌;程耿东;;Kagome蜂窝夹层平板的多功能优化设计[J];复合材料学报;2007年03期
4 钱令希,钟万勰,程耿东,隋允康;工程结构优化的序列二次规划[J];固体力学学报;1983年04期
5 刘书田,程耿东,顾元宪,张金海,闫颂;基于均匀化理论的多孔板弯曲问题新解法[J];固体力学学报;1999年03期
6 朱继宏;张卫红;邱克鹏;;结构动力学拓扑优化局部模态现象分析[J];航空学报;2006年04期
7 彭细荣;隋允康;;用ICM法拓扑优化静位移及频率约束下连续体结构[J];计算力学学报;2006年04期
8 阎军;程耿东;刘岭;;基于均匀材料微结构模型的热弹性结构与材料并发优化[J];计算力学学报;2009年01期
9 陈建军,车建文,崔明涛,戴君,马洪波;结构动力优化设计述评与展望[J];力学进展;2001年02期
10 胡更开,刘晓宁,荀飞;非均匀微极介质的有效性质分析[J];力学进展;2004年02期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 王博;蜂窝结构多功能优化设计[D];大连理工大学;2007年
2 徐胜利;基于拓扑优化的结构刚度和渗流多功能材料设计[D];大连理工大学;2010年
【二级引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 王斌;结构多性能优化设计及其在航天结构设计中的应用[D];大连理工大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李福松,陈建军;射流发电机机械振动系统的动力优化设计[J];兵工学报;2000年01期
2 李敬东,王炳权,宫瑞婷;建筑设计中声环境的研究[J];北京建筑工程学院学报;2001年S1期
3 杨德庆,柳拥军,金咸定;薄板减振降噪的拓扑优化设计方法[J];船舶力学;2003年05期
4 纪刚;张纬康;周其斗;;随机力作用下的水下结构声辐射分析[J];船舶力学;2006年02期
5 江近仁,洪峰;功率谱与反应谱的转换和人造地震波[J];地震工程与工程振动;1984年03期
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7 林树枝,程耿东;动力响应灵敏度分析的振型空间法[J];地震工程与工程振动;1990年03期
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9 谢礼立,罗学海;“国际减轻自然灾害十年”和地震工程研究的任务[J];地震工程与工程振动;1990年04期
10 赵凤新,刘爱文;地震动功率谱与反应谱的转换关系[J];地震工程与工程振动;2001年02期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 刘震宇;微型及小型柔性机械结构的拓扑优化设计方法[D];大连理工大学;2000年
2 黎胜;水下结构声辐射和声传输的数值分析及主动控制模拟研究[D];大连理工大学;2001年
3 张亚辉;复杂结构在多种荷载工况下的屈曲及动力分析[D];大连理工大学;1999年
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2 欧笛声;周雄新;;注塑机定模板的分层顺序优化[A];第三届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2007年
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4 徐斌;姜节胜;;区间参数智能桁架结构/控制一体化拓扑优化设计[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
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7 郭能;周友国;雷刚;王伦;;重型汽车变速箱箱体拓扑优化[A];2010重庆汽车工程学会年会论文专辑[C];2010年
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9 叶红玲;隋允康;;ICM结构拓扑优化方法中过滤函数的探讨[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
10 王宝来;温凤春;梁军;;一种连续体结构的拓扑优化方法研究[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
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1 王书亭;CAE促机电产品研发创新[N];计算机世界;2006年
2 张中桥;次声波可促进成骨样细胞增殖和分泌[N];中国医药报;2006年
3 高文;工业结构设计的新手段[N];计算机世界;2008年
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5 刘永起;规避企业财务风险的过程[N];财会信报;2005年
6 刘伊婷;选购助听器需要“量体裁衣”[N];中国质量报;2006年
7 本报记者 于东;优化设计模型 CAXA三维实体设计在工程机械行业中的成功验证[N];机电商报;2008年
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9 廖建国;铸铜立冷壁的开发及其在高炉的应用[N];世界金属导报;2003年
10 季坚;上海市助听器产品质量较好[N];中国质量报;2008年
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1 陈钢;内腔声—结构耦合系统的数值模拟与优化设计[D];大连理工大学;2008年
2 陈炉云;基于多学科设计优化的潜艇结构—声辐射优化研究[D];上海交通大学;2008年
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7 崔明涛;不确定性连续体结构拓扑优化和柔性机构设计研究[D];西安电子科技大学;2006年
8 赵少飞;复合加载条件下海洋地基承载力特性数值分析方法研究[D];大连理工大学;2006年
9 沈显峰;多组元金属粉末直接激光烧结过程数值模拟及烧结区域预测[D];四川大学;2005年
10 陈长冰;筒仓内散体侧压力沿仓壁分布研究[D];合肥工业大学;2006年
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1 姜震东;汽车外观评价模型骨架拓扑优化设计技术研究[D];湖南大学;2009年
2 王侃;空间对接平台关键件结构优化设计[D];重庆大学;2009年
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4 赵永辉;大客车车身骨架结构拓扑优化设计[D];武汉理工大学;2008年
5 范守哲;YQ-1型轿车行李箱内板拓扑优化分析[D];吉林大学;2006年
6 胡浩;客车车身结构灵敏度分析与拓扑优化[D];华中科技大学;2006年
7 李凌飞;基于变密度法的结构拓扑优化研究[D];吉林大学;2007年
8 成耀龙;大客车车身骨架结构轻量化研究[D];武汉理工大学;2007年
9 廖晖;膜片联轴器膜片有限元分析及结构优化设计研究[D];重庆大学;2008年
10 李磊;遗传算法与梁结构拓扑优化设计研究[D];郑州大学;2006年
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