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结构振动声辐射灵敏度分析及优化设计研究

刘宝山  
【摘要】: 随着现代工业化程度的不断提高,噪声污染日益加剧,已经成为与水污染、大气污染并列的三大主要环境问题。因此,减少结构振动声辐射是一个非常重要的研究课题。传统的降噪设计主要基于工程师的经验,在生产一个好的产品之前,需要很多的试验,伴随着大量的人力和财力。随着计算机技术的不断发展,用数值方法仿真计算结构振动噪声问题已经成为可能。本文基于大型有限元结构分析和优化软件JIFEX的现有方法和功能,进一步发展了结构振动声辐射计算、灵敏度分析和优化设计的功能模块。通过有限元加边界元的数值算法对结构振动声辐射进行了分析求解,并利用有效的优化算法对其进行优化求解,达到降低结构振动辐射噪声的目的,取得了较好的效果。 本论文的研究工作受国家自然科学基金重点项目“耦合系统的多学科优化设计理论与数值方法”(10032030)和国家自然科学基金(10772038,10728205)资助。本论文主要研究工作如下: 第一章,综述结构振动声辐射分析和优化设计及控制的研究概况。论述了结构振动声辐射问题的背景和现状,介绍了声学研究中的一些基本方法,结构振动声辐射优化设计研究进展以及噪声控制方法,并给出了本文研究内容。 第二章,阐述了声学基本理论,主要包括:声学基本方程,Helmhotlz方程和边界元方程以及结构振动声辐射功率计算方法。 第三章,给出了谐振激励下基于有限元的结构振动计算和灵敏度分析公式,重点推导了基于边界元方法的结构声辐射及其灵敏度分析公式,给出了优化模型,并通过数值算例验证了灵敏度分析的准确性和优化设计模型及求解方法的有效性。 第四章,对复合材料层合板结构谐振激励下的声辐射灵敏度分析及优化设计进行了研究。利用四边形单元,以铺层厚度和铺层角度作为设计变量,推导了声辐射功率灵敏度,提出复合材料层合板声辐射优化设计模型,数值算例验证了优化模型和算法的有效性。 第五章,研究了随机激励下结构振动声辐射计算方法。在基于有限元的随机振动虚拟激励法的理论基础上,进一步将虚拟激励法引入辐射声场计算的边界元方法中,推导了虚拟激励法和边界元法相结合的声辐射问题的计算公式。数值算例比较了本文方法和传统方法的计算精度和计算效率,说明了本文方法的有效性。 第六章,对随机激励下结构振动声辐射优化设计问题进行了研究,推导了随机激励下结构振动声辐射灵敏度分析公式,提出随机激励下结构振动声辐射优化设计的模型,数值算例验证了灵敏度分析的准确性以及优化设计模型和求解方法的有效性。 最后一部分给出结论和展望。


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