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《华中科技大学》 2011年
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水中ACLD圆柱壳谐耦振的高精度方法及其振动特性

袁丽芸  
【摘要】:作为潜艇、鱼雷或其它水下航行器普遍采用的一种主要承载构件,水下圆柱壳的耦振和声控研究具有重大的潜在应用价值。同时,为了提高这类结构的隐蔽性,需要采取一定的减振降噪措施,使得其满足较低的辐射噪声、散射噪声和自噪声水平。近年来,被动约束层阻尼(PCLD)和主动约束层阻尼(ACLD)以其可靠显著的减振降噪能力,在工程结构中得到了广泛的应用。然而,进一步将其运用到水下结构声振特性分析方面的研究并不多见。究其主要原因是由于这类问题涉及圆柱壳、PCLD/ACLD和外流场的力、电、流多场耦合问题以及电压反馈控制的复杂性等,采用已有的有限元法(FEM)、边界元法(BEM)和FE/BE混合法进行数值求解时,在高频段精度较低。因此,对水下PCLD/ACLD圆柱壳声压谱的解析解的探讨,具有重大的研究意义。本文正是针对这一课题进行展开研究。 首先,本文建立了一种全新的PCLD/ACLD圆柱壳模型。该模型从圆柱薄壳的基本方程出发,通过考虑粘弹性层和基壳层、约束层之间的层间相互作用力,以及ACLD圆柱壳中压电层的本构关系,将PCLD/ACLD圆柱壳的动力学问题用一系列对应于不同环向波数n的控制方程进行了描述。其中,对应于两种不同的电场假设,本文建立了两类ACLD圆柱壳模型,即简单机电耦合模型和完全机电耦合模型,它们分别对应于两类控制方程。这两类控制方程与PCLD圆柱壳的形式一样,均为一阶常微分矩阵方程,其状态变量全部由具有实际物理意义的位移和内力变量组成,可便于应用给定端部处的各种位移和力学边界条件。 同时,这些控制方程非常适合采用新型齐次扩容精细积分法进行高精度求解,甚至可以获得计算机的满精度解。因此,结合新型齐次扩容精细积分法和叠加原理,文中对新模型提出的PCLD/ACLD圆柱壳耦合方程建立了一种基于传递矩阵法的高精度和高效率的半解析求解方法。数值计算结果表明,这种半解析方法的计算精度和效率都较通用的有限元法高。 通过将液动压力写成Bessel级数和的解析表达形式,本文还将这种方法进一步扩展到充液PCLD圆柱壳的动力学特性分析中,建立了一种求解贮液PCLD圆柱壳动力学特性的传递矩阵法。借助于类似的思路和做法,通过将声压写成球Hankel函数和连带Legendre函数乘积的级数和的解析表达形式,针对水下PCLD/ACLD圆柱壳的声振特性问题,本文提出了一种波函数叠加谱方法。 另外,为了弥补现有ACLD敷设方式在通用性和灵活性方面的不足,文中提出将ACLD圆柱壳中的压电层之间用很薄的绝缘层隔离,形成大小相同的压电块,然后整体成环状连续敷设在粘弹性层上。并针对该敷设新模型,在各压电块上分别施加不同的电压,产生合适的驱动电压非均匀分布模式,从而适应外激励实时变化和非轴对称振动控制的一般情况。在这种敷设模型和电压施加方案的基础上,我们提出了一种全新的控制策略——环向占优模态控制策略。大量的数值计算结果表明:基于这种电压施加方案的控制策略比以往同类工作具有明显的先进性。 此外,通过引入结构体积位移(SVD)的概念,本文还对ACLD圆柱壳的多点反馈控制进行了初步探讨。 本文对PCLD/ACLD圆柱壳的建模和求解方法,还可顺利扩展到其他形状较规则的PCLD/ACLD结构,为这类结构的参数和控制增益的优化提供有利的手段。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB535

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