薄壁结构减振降噪的动力吸振器设计研究

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薄壁结构因其高强重比、成本低、整体性强等优点,被广泛应用于火箭、飞机、汽车、高铁和船舶等结构中。薄壁结构面外刚度弱、阻尼小,结构模态密集且声振响应显著。恶劣的声振环境不仅会造成薄壁结构疲劳破坏,降低结构的使用寿命,而且会导致仪器设备失灵。因此,开展薄壁结构的减振降噪研究,具有重要的意义。传统的敷设阻尼层或多孔吸声材料等方法可以有效降低高频段的振动和噪声响应,但低频段减振降噪效果不佳。动力吸振器因其结构简单,经济性好,低频段响应抑制效果好等特点,被广泛应用于结构低频段的噪声与振动控制。然而,现有的动力吸振器设计方法仅对模态稀疏结构具有良好的效果,无法适用于具有模态密集的薄壁结构减振降噪。因此,本文开展了适用于模态密集薄壁结构减振降噪的动力吸振器优化设计研究,具体工作如下:针对现有的动力吸振器优化理论难以应用到模态密集薄壁结构上的问题,提出了一种适用于模态密集型薄壁结构减振降噪的动力吸振器优化理论。在模态空间内基于基变换将多模态系统动力吸振器优化问题降维成单阶模态动力吸振器优化设计问题;接着通过参数替换建立起单模态主系统动力吸振器优化问题与单自由度主系统动力吸振器优化问题之间的联系,从而可以使用单自由度主系统动力吸振器优化理论中的min-max方法或定点理论获取动力吸振器的最优参数。动力吸振器的最优位置应为降维之后得到的激励-结构模态振型幅值的最大处。结果表明:所提出的动力吸振器优化理论可以实现宽频段内薄壁结构位移和声学响应的有效抑制。实际工程中,准确的外载荷以及结构模型信息常难以获取,将影响上述方法的效果。由于结构响应信息中包含了载荷和结构模型信息,进一步提出了一种适用于薄壁结构的响应驱动的动力吸振器设计优化方法。基于结构响应的奇异值分解,获取结构的模态参数和模态振型,结合前述模态降维理论和动力吸振器参数优化方法,可仅依据结构响应数据便实现动力吸振器的优化设计,获得动力吸振器的最优布置位置以及最优材料参数。结果表明:所提出响应驱动的动力吸振器优化理论可以在仅安装少量动力吸振器的前提下,获得较好的宽频段减振降噪效果,且对噪声有很高的鲁棒性。最后,针对某型复合材料整流罩结构,开展所提出方法的工程应用研究。首先,基于蜂窝板理论对Nomex纸蜂窝进行等效建模,建立复合材料整流罩的力学和声学等效模型。基于等效模型开展动力吸振器减振降噪的优化设计。结果表明:蜂窝板等效建模可以有效降低模型复杂度,同时仍能较好反映原复合材料结构的力学和声学特性;本文所提出的动力吸振器优化理论可以有效抑制该型复合材料整流罩的振动和声学响应。
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