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复合夹层筋板结构声振特性分析及抑制研究

付涛  
【摘要】:板类结构是高速列车、飞机和舰船等运载设备的主要组成部分,由于运载设备应用背景的多样性,其在运行过程中常处于复杂的高低温交变、结构振动和流致噪声环境中,当热载荷引起的热应力达到一定值时会使得结构发生热屈曲,强烈的振动会加剧舱内的声源直达噪声,外部流动流体的作用会与结构产生气动弹性耦合效应,这些都将对运载设备的安全性和舱内振动噪声抑制造成不利的影响。因此对板类结构在复杂外部环境作用下的声振特性进行研究,实现结构宽频声振抑制,使其具有轻质、隔热、低振动和高隔声性能对提升运载设备的安全性和舒适性具有重要的意义。本文针对这一问题对复合夹层筋板结构在外部流场和热载荷作用下的声振耦合特性进行了研究,分别从夹层板理论模型、热源环境、外部均匀流体、材料分布类型和宽频被动抑振控制等方面对结构的声辐射响应和隔声特性影响进行理论和实验分析。具体研究内容为:基于经典夹层板理论,将热应力引入到夹层结构的热弹性本构方程中,考虑了有热源和无热源两种情况下的线性温度场,使用双三角级数解的形式求解了热载荷作用下夹层板的横向振动位移,基于辐射单元法并考虑了耦合辐射阻抗的影响,通过对Rayleigh积分方程的求解给出了夹层板在热载荷作用下的辐射声功率,推导了平面声波激励下夹层板结构的传声损失计算公式。通过与现有文献理论模型及实验结果的对比来验证所建模型的有效性。同时基于建立的理论模型,着重分析了不同温度场载荷参数对夹层板固有频率、声辐射和隔声特性的影响。针对夹芯为三维轻质点阵周期分布的情况,建立了三维点阵夹层筋板结构的振动模型,在模型中考虑了表层面板抗弯刚度和双参数基础模型的影响,平板和加强筋的耦合作用通过位移相容条件求解,并且忽略热力矩的影响,推导了均匀温度场中夹层板的临界屈曲温度计算公式。分析了双参数弹性地基与夹芯结构参数对夹层板固有频率及临界屈曲温度的影响,给出了结构声辐射和隔声特性随不同夹芯类型、材料损耗因子、夹芯参数、弹性地基及温度载荷的变化规律。研究发现相比较于Winkle刚度的影响,改变剪切刚度对结构声辐射和隔声特性的影响更为显著。基于Reddy型高阶剪切变形理论和哈密顿变分原理推导了热环境和双参数基础模型联合作用下的层合功能梯度复合材料板的振动控制方程,采用微分求积法对不同边界条件下的控制方程进行数值求解,探究分析了无量纲情况下温度载荷、边界条件、弹性地基参数、材料铺设角度和方式、铺设层数、材料分布类型和厚边比对层合功能梯度板弯曲扰度和自振频率的影响,其可为后续热环境下复合夹层筋板的声辐射和隔声特性分析研究奠定基础。针对表层面板为复合材料的三维点阵夹层筋板结构,基于建立的层合功能梯度复合材料板振动方程,采用微分求积法获得了复合板的等效结构阻抗,利用双三角级数解的形式求解了热载荷作用下的结构横向振动位移,基于流体-结构界面的速度连续性条件求解了结构与流体介质间的流固耦合作用,利用瑞利积分分别推导了结构在外部均匀流体作用下的辐射声功率和传声损失。基于所建理论模型分析了不同体积分数、材料铺设角度和方式、铺设层数、材料分布类型对结构声辐射和隔声特性的影响。基于建立的复合夹层筋板结构的振动方程,采用附加多个单自由度动力吸振器的方式,理论推导求解了附加分布式动力吸振器的复合夹层筋板结构的横向振动位移,分析了阻尼比、固有频率比、质量比和安装位置对结构调谐频率处的隔声幅值影响,确定了动力吸振器阻尼比、固有频率比、质量比和安装位置参数的最优值。实验设计了一种梁式动力吸振器,通过与实验结果的对比来验证所建模型的有效性。实验对比分析了附加分布式动力吸振器前后对复合夹层筋板结构隔声特性的影响,结果显示本文所设计的梁式分布式动力吸振器对复合夹层筋板结构的隔声曲线幅值有较大提高,其最大增幅在20 dB以上,相比于原结构实现了结构隔声特性在宽频范围的改善。本文的研究可为板类隔声结构在材料组成和结构形式设计上提供理论依据,建立的声振抑制理论模型可用于指导板类隔声结构的宽频声振抑制设计。


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