厚圆柱壳的振动分析及阻尼减振效果的研究与应用

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潜艇是海军的重要组成部分,但潜艇噪声过大会增大被发现的几率,从而使自身的生存受到威胁。研究表明辐射噪声很大部分来自机械噪声,这类噪声来源于传动装置工作时产生的振动,并通过艇体向水流场中辐射噪声,因此抑制艇体的振动对降低潜艇噪声具有很大作用。目前,对机械噪声控制主要是采用隔振方法,艇体近似成圆柱壳后的振动分析也大都采用薄壳力学模型,鉴于厚圆柱壳分析与薄壳的明显不同,本文主要研究了厚壳体振动模型以及阻尼对抑制厚圆柱壳振动和减弱圆柱壳辐射声场的作用。分析柱坐标系下任一厚圆柱壳体单元的三向应力状态,考虑薄壳中忽略的沿厚度方向,即R方向变化的正应力和剪切应变,推导厚壳体中任一单元点运动方程和振动状态方程;根据边界条件求解壳体的模态参数,并利用实验验证该理论的有效性,为厚壳体的振动预报提供理论依据。基于模态应变能法求得敷设自由阻尼的单层圆柱壳体和拥有约束阻尼层的“三明治”圆柱壳体的前十阶模态阻尼比,分别考察了两种阻尼形式下阻尼材料的损耗因子和相对刚度以及阻尼层的厚度比和铺层角对整体结构模态阻尼比的影响,得出圆柱壳体结构中阻尼层各因素对整体结构振动性能的影响规律。通过比较常用减振效果衡量指标,确定了振级落差目标函数,以影响阻尼减振效果的各因素为设计变量,对含有约束阻尼层的无限长圆柱壳体进行了阻尼减振效果的优化,确定了“三明治”结构无限长圆柱壳体在振级落差取最小值时的阻尼层参数取值;对于有限长实心轴或壳体的轴向振动,采用改变截面半径并敷设自由阻尼的方式来抑制轴向振动,考察了这种结构在不同的小端半径和轴向高度下阻尼材料对轴向振动的抑制效果。建立了实际潜艇的模型,分析了潜艇的模态;以加速度振源模拟潜艇传动装置对艇体的激励,考察了在加速度振源下潜艇的辐射声场;分析了潜艇各板块对流场中某点声压的板块贡献量;对构成艇体的板块赋予“三明治”结构属性,求得在同样的振源下潜艇的辐射声场,对比同一响应点在单层壳和复合壳两种属性下的响应声压,得出阻尼材料在降低潜艇辐射声场中的作用。通过对比分析,可以看出用阻尼的方式抑制厚圆柱壳的振动进而降低潜艇辐射声场是非常有效的。
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