考虑声—固耦合的波纹芯体夹层板振—声学特性研究

来源 :上海交通大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:sunzhaojian
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得益于芯体结构简单的构型、低廉的制造成本及优良的力学性能,以金属波纹板为芯体、金属薄板为上下面板构成的波纹芯体夹层板被广泛应用于飞机机身、高速列车车体及船舶舱室外壳等结构中。全面认识这类夹层板结构的动力学特性及声透射机理,并以此为基础建立表征其隔声能力的声透射损失计算方法,对实现以轻量化和舱内低噪声水平为目标的现代高速载运工具声学设计具有十分重要的意义。本文针对波纹芯体夹层板的几何拓扑构型及结构特征,建立了典型双层单筋系统声-固耦合理论模型,研究了夹层结构的基本振-声学特性。为解决传统有限元方法在计算中高频结构-声学耦合响应时的低效问题,基于波基法的基本理论,建立了考虑声-固耦合效应的波纹芯体夹层板结构声透射损失计算方法。运用该计算方法,系统分析了波纹芯体夹层板芯层声腔声学介质、筋板几何等构件设计参数对系统振-声学特性的影响规律。在此基础上,以系统声透射损失为目标函数,对波纹芯体夹层板进行了结构-声学优化。最后,对上述规律及优化设计结果进行了实验验证。全文主要内容及结论包括:(1)利用组合梁系统解析模态函数及声腔包络矩形理论方法建立了典型弹性加筋双层梁声-固耦合理论模型,给出了此结构-声学耦合系统的基本振-声学特性及其成因。通过分析结构弯曲刚度与声腔流体静刚度之间的关系,将声腔对系统振-声学特性的贡献分成了等效刚度控制区、过渡区和等效质量控制区三种类型,并给出了相应的判定准则。(2)基于波基法的基本理论,推导了结构振动控制方程在声-固耦合边界及平面声波外激励边界上的解析特解,结合结构与内声场各自的波函数系建立了适用于平面声波激励下波纹芯体夹层板振-声学响应的数值计算方法,并通过有限元计算及实验测量两种途径对该方法进行了可靠性验证。结果表明,在相同精度条件下,该计算方法的计算效率远高于传统有限元法。(3)针对典型波纹芯体夹层板声-振耦合动力学特性进行了分析,给出了结构-声学耦合效应所引起的波纹芯体夹层板振-声学行为的典型特征。通过变参数计算,系统分析了声腔声学介质密度与波纹芯体夹层板面板厚度、芯层厚度、波纹筋板倾角及筋板分布密度等特征设计参数对系统声学性能的影响规律,辨析了典型波纹芯体夹层板结构-声学耦合声透射机理。通过将波纹芯体夹层板实测动力学特征及隔声特性与前文中给出结论进行对照,验证了通过数值计算所给出的波纹芯体夹层板振-声学特性及典型参数变化对系统声学性能的影响规律,证明了本文给出的结构-声学耦合计算方法的正确性与可靠性。(4)以目标频段的平均声透射损失为优化目标函数,夹层板构件的第一阶弯曲刚度与构件质量为约束条件对实际波纹芯体夹层板进行了结构-声学优化。结果表明,在低频段,面板厚度、芯层厚度及筋板倾角三个参数均会显著影响构件的隔声能力,但以提高入射侧面板厚度与筋板的倾斜程度为最优选择;在较高的频率段,面板厚度为构件隔声性能设计的优先参数。通过对优化模型隔声性能的实际测量,确认了优化结果的有效性,证明了使用二维模型计算以指导三维波纹芯体夹层板设计的可行性。本文从理论建模、数值计算、特性分析、结构-声学优化及实验验证五个方面对波纹芯体夹层板的振-声学特性进行了详细的分析与研究,丰富了复杂结构的声透射理论,所给出的声-固耦合数值计算方法为实际工程应用中波纹芯体夹层板振-声学特性预测与隔声优化设计提供了高效可靠的计算工具,具有重要的工程应用价值。
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