內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、噪聲控制技術(shù)是工程界普遍關(guān)心的問題。目前,對于空腔內(nèi)噪聲的研究越來越受到重視,例如汽車、輪船、飛機等乘坐室,由于空腔形狀的復雜性,用傳統(tǒng)的理論方法很難取得滿意的結(jié)果,目前主要通過實驗技術(shù)和各種數(shù)值方法的研究來控制噪聲。本文通過數(shù)值模擬技術(shù),對空腔噪聲進行優(yōu)化設(shè)計研究,可實現(xiàn)在設(shè)計階段對乘坐室等腔內(nèi)噪聲響應的理論分析、預測及優(yōu)化設(shè)計。 本文在論述了內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)數(shù)值方法的歷史及其現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,給出了內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的有限元方

2、程和合理高效的求解算法,進一步提出了尺寸、形狀、拓撲三個層次的優(yōu)化設(shè)計模型,詳細推導了靈敏度分析公式,給出了優(yōu)化求解方法。特別是在隨機激勵下內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的求解方法、靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計方面做了深入研究和有益的探討。 本文的工作是結(jié)合大型結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化軟件JIFEX的現(xiàn)有方法和功能,進一步發(fā)展了內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的動力分析和優(yōu)化設(shè)計的功能模塊。本文的主要工作包括以下幾部分: 第一章綜述了噪聲控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及

3、目前主要遇到的問題,論述了目前應用于聲學領(lǐng)域的各種研究方法,包括有限元法、邊界元法、統(tǒng)計能量法等,同時介紹了本文的軟件開發(fā)平臺JIFEX,給出了本論文的主要研究內(nèi)容。 第二章由聲學波動方程及各類邊界條件的等效積分弱形式推導出小阻尼聲場的有限元方程。在此基礎(chǔ)上,假設(shè)聲壓向量的非負性,求解小阻尼聲場有限元方程。利用半解析方法計算了聲學剛度陣、質(zhì)量陣和阻尼陣的導數(shù),并且用全局差分方法進行了校核,最后分別以特征頻率和聲壓級響應為目標函數(shù)

4、,對三維汽車模型的聲場特性進行了邊界形狀優(yōu)化,得到了滿意的優(yōu)化結(jié)果。 第三章推導了內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)方程,采用靜凝聚法消除了質(zhì)量矩陣的奇異性,采用了求解耦合系統(tǒng)非對稱系數(shù)矩陣特征對的共軛子空間迭代算法,并證明了耦合系統(tǒng)左右特征向量的關(guān)系以及正交歸一化條件。采用模態(tài)法、直接法和迭代法求解耦合系統(tǒng)響應,并通過數(shù)值算例證明了方法和程序的正確性和可行性。 第四章研究了穩(wěn)態(tài)激勵下內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的特征頻率和聲壓響應的靈敏度分

5、析和優(yōu)化設(shè)計方法。首先建立了尺寸、形狀優(yōu)化設(shè)計模型,給出了靈敏度分析算法。然后結(jié)合結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計理論,建立了聲場-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的拓撲優(yōu)化模型,推導了拓撲設(shè)計變量的靈敏度公式。并利用材料分布拓撲優(yōu)化方法,對內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的剛度層分布進行了拓撲優(yōu)化設(shè)計。 第五章研究了隨機激勵下內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的分析求解方法。考慮到隨機激勵下耦合問題算法求解的精度和效率,提出了一種求解耦合系統(tǒng)隨機響應的迭代算法,并在每個迭代步過程中采用了

6、虛擬激勵法求解。通過求解過程的推導可以發(fā)現(xiàn),虛擬激勵法除了保持結(jié)構(gòu)動力隨機分析中高效的特點外,對于聲固耦合系統(tǒng)的迭代求解,在計算效率上還具有常規(guī)算法無法比擬的優(yōu)勢。 第六章推導了隨機聲學響應功率譜的靈敏度分析公式,并與差分法比較。以空腔內(nèi)某點的隨機聲壓級響應功率譜和內(nèi)腔平均聲壓級響應功率譜為目標函數(shù),以結(jié)構(gòu)重量作為約束函數(shù),以結(jié)構(gòu)的厚度作為設(shè)計變量,建立了隨機激勵作用下的內(nèi)空腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的聲學優(yōu)化設(shè)計模型。通過修改SIMP

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