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金属—非金属组合结构振动噪声分析与抑制

作　者: 罗放
导　师: 杨德庆
学　校: 上海交通大学
专　业: 工程力学
关键词: FE-SEA混和法功率流落差金属-非金属组合结构优化
分类号: TB535
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着材料设计与制造工艺水平的提高,复合材料由于其密度小、高比刚度和高阻尼特性,逐步在军用船舶领域得到应用。复合材料轴、复合材料基座和复合材料螺旋桨在国外相继投入应用,获得了良好的减振降噪效果。我国也开始了这方面的探索,逐步开发出若干产品,但总体上讲,在金属/非金属(复合材料)组合结构动力学设计理论和计算预报方法研究上,还很滞后。金属与非金属组合结构振动抑制方法的研究具有重要应用价值。本论文首先应用VA One软件,研究了舰艇基座全频域声振动力学一体化分析的FE-SEA混和模型方法。在同一计算平台上实现大型复杂结构声振分析的全频域一体化建模,同步完成低、中和高频段振动噪声计算,为金属-非金属组合结构减振效果评价奠定基础。金属-非金属支架结构的连接刚度和阻尼是影响其振动力学特性的重要因素。本文研究了在不改变支架结构的形状、尺寸、模拟载荷重量以及支架结构重量增加有限的前提下,通过改变支架结构接点连接处的阻尼、对支架杆件加约束阻尼层或杆件充垫橡胶阻尼芯,所达到的振动抑制效果,并对多种振动抑制方案进行对比和评定。振级落差是工程中普遍使用的系统减振效果评价方法,测量简便,但该方法无法准确描述系统振动能量传递路径。功率流落差作为新的评价方法,可以直观描述系统中振动能量分布与衰减规律,但测量困难。本文系统给出了板梁组合结构有限元功率流的计算公式。通过有限元功率流落差与振级落差计算,讨论了两种评价方法的优缺点。在此基础上,研究了结构动力学优化设计模型化理论。研究表明,采用同时考虑振级落差和功率流落差约束条件的综合结构动力学优化模型,能获得与工程实际符合的优化设计效果。文中给出了以加速度振级落差和均方根功率流落差为约束条件的金属-非金属组合基座结构动力学优化设计数学模型,并采用遗传算法进行求解。数值优化结果证明了金属-非金属组合结构优异的抑振性能。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-22
  1.1 选题背景及研究意义  12-13
  1.2 工程结构振动和声学概述  13-16
    1.2.1 振动的概念及分类  13
    1.2.2 噪声的概念及分类  13-14
    1.2.3 振动噪声的评价  14-16
  1.3 结构优化概述  16-18
    1.3.1 优化设计的三要素  16-17
    1.3.2 结构优化的分类和层次  17-18
    1.3.3 优化算法分类及选择  18
  1.4 减振降噪优化和功率流研究概述  18-20
    1.4.1 非金属减振降噪优化研究概述  18-19
    1.4.2 功率流的研究概述  19-20
  1.5 本文主要研究内容  20-21
  1.6 本章小结  21-22
第二章基于混和法的齿轮箱基座动力学特性全频域计算  22-32
  2.1 引言  22
  2.2 齿轮箱基座有限元动力学分析  22-24
  2.3 齿轮箱基座统计能量法动力学分析  24-25
  2.4 混和模型计算原理  25-29
  2.5 齿轮箱基座FE-SEA 混和模型  29-31
  2.6 本章小结  31-32
第三章金属-非金属支架结构振动响应抑制研究  32-54
  3.1 引言  32
  3.2 金属-非金属支架有限元模型  32-33
  3.3 结构有限元动力学计算中阻尼处理方法研究  33-35
  3.4 支架结构中接头刚度对动力响应的影响分析  35-39
    3.4.1 降低中接头材料刚度一个量级后的动力学影响  35-36
    3.4.2 降低中接头材料刚度两个量级后的动力学影响  36-38
    3.4.3 提高中接头材料刚度一个量级后的动力学影响  38
    3.4.4 提高中接头材料刚度两个量级后的动力学影响  38-39
  3.5 支架结构中接头阻尼系数对动力响应的影响分析  39-42
    3.5.1 提高中接头材料结构阻尼系数一个量级后的动力学影响  39
    3.5.2 提高中接头材料结构阻尼系数两个量级后的动力学影响  39-40
    3.5.3 所有接头改为复合接头后的支架动力学响应  40-41
    3.5.4 影响分析  41-42
  3.6 支架结构中杆件阻尼对动力响应的影响分析  42-48
    3.6.1 提高杆件阻尼系数减振效果  42
    3.6.2 3 根横杆采用约束阻尼层处理减振效果  42-43
    3.6.3 6 根斜杆采用约束阻尼层处理减振效果  43-46
    3.6.4 所有杆件采用约束阻尼层处理减振效果  46
    3.6.5 6 根斜杆采用约束阻尼层处理减振效果  46-48
  3.7 支架结构中连接阻尼对动力响应的影响分析  48-51
  3.8 多种方案计算结果评价  51-53
  3.9 本章小结  53-54
第四章功率流落差与振级落差的比较研究  54-78
  4.1 引言  54-55
  4.2 振级落差与功率流落差理论  55-57
    4.2.1 振级落差  55
    4.2.2 功率流  55-56
    4.2.3 均方根功率流  56
    4.2.4 功率流落差  56-57
  4.3 板、梁及其耦合结构有限元功率流计算公式  57-60
    4.3.1 隔振器有限元功率流  57-58
    4.3.2 梁单元有限元功率流计算  58-59
    4.3.3 板结构有限元功率流计算  59
    4.3.4 板梁耦合结构功率流计算  59-60
  4.4 板、梁及耦合结构有限元功率流计算实例  60-77
    4.4.1 单梁模型  60-62
    4.4.2 双梁+梁连接模型  62-64
    4.4.3 双梁+斜梁连接模型  64-67
    4.4.4 双梁+板连接模型  67-69
    4.4.5 双梁+加筋板连接模型  69-72
    4.4.6 双板+板连接模型  72-74
    4.4.7 双板+斜板连接模型  74-77
  4.5 本章小结  77-78
第五章基于功率流落差与振级落差约束的结构优化设计  78-95
  5.1 引言  78
  5.2 基座试验机架有限元模型  78-79
  5.3 基座试验机架振级落差和功率流落差计算  79-81
    5.3.1 基座实验机架振级落差  79-80
    5.3.2 基座实验机架功率流落差  80-81
  5.4 基于振级落差和功率流落差的结构优化  81-85
    5.4.1 重量目标函数考虑加速度振级落差约束的结构优化  81-82
    5.4.2 重量目标函数考虑功率流落差约束的结构优化  82-83
    5.4.3 重量目标函数考虑加速度振级落差及功率流落差约束的综合结构优化  83-84
    5.4.4 功率流目标函数考虑加速度振级落差和功率流落差约束的结构优化  84-85
  5.5 基座实验机架基于振级落差和功率流落差的结构优化计算  85-94
    5.5.1 重量目标函数考虑加速度振级落差约束的结构优化  85-87
    5.5.2 重量目标函数考虑功率流落差约束的结构优化  87-89
    5.5.3 重量目标函数同时考虑振级落差和功率流落差约束的综合结构优化  89-92
    5.5.4 功率流目标函数同时考虑振级落差约束和功率流落差约束的综合结构优化  92-94
  5.6 本章小结  94-95
第六章基于功率流的金属与非金属结构动力学优化设计比较  95-115
  6.1 引言  95
  6.2 基座试验机架有限元模型  95-96
  6.3 金属材料结构和金属-非金属材料组合结构的振级落差和功率流落差比较  96-97
  6.4 基于振级落差和功率流落差的金属-非金属结构优化计算  97-107
    6.4.1 重量目标函数考虑加速度振级落差约束的结构优化  97-99
    6.4.2 重量目标函数考虑功率流落差约束的结构优化  99-101
    6.4.3 重量目标函数考虑加速度振级落差与功率流落差约束的结构优化  101-104
    6.4.4 功率流目标函数考虑加速度振级落差和功率流落差约束的结构优化  104-107
  6.5 基于振级落差和功率流落差的非金属结构层数与铺层角度优化计算  107-114
    6.5.1 设计变量为层数的结构优化  107-109
    6.5.2 设计变量为铺层角度的结构优化  109-112
    6.5.3 设计变量为层数和铺层角度的综合结构优化  112-114
  6.6 本章小结  114-115
第七章总结与展望  115-117
  7.1 本文主要研究工作总结  115
  7.2 进一步研究工作的展望  115-117
参考文献  117-121
致谢  121-122
攻读硕士学位期间发表的论文  122-124

金属—非金属组合结构振动噪声分析与抑制

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