粘彈性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)水中振動(dòng)和聲輻射特性研究.pdf

1、目前,國際上對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、疲勞等問題以及加工工藝、粘接技術(shù)等的研究已經(jīng)非常深入,并在船舶結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了應(yīng)用。在船舶與海洋工程領(lǐng)域,國內(nèi)對(duì)復(fù)合材料各方面的研究還不夠深入,與國際先進(jìn)水平還有一定的差距；復(fù)合材料在船舶與海洋結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用方面更是相當(dāng)薄弱。因此,開展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在船舶與海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用方面的研究具有非常重要的理論和實(shí)際意義。 由于水中結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射研究?jī)?nèi)容的敏感性,從國內(nèi)外搜集的文獻(xiàn)資料來看,關(guān)于復(fù)合材料

2、結(jié)構(gòu)水中振動(dòng)和聲輻射方面的研究資料非常少見,尤其很難找到關(guān)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)聲輻射方面公開發(fā)表的研究資料。從工程應(yīng)用角度來看,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)聲輻射的特性是需要進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)的,因此對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)聲輻射特性方面的研究是非常值得開展的。由于水中結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射研究?jī)?nèi)容的敏感性,從國內(nèi)外搜集的文獻(xiàn)資料來看,關(guān)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)水中振動(dòng)和聲輻射方面的研究資料非常少見。從工程應(yīng)用角度來看,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)聲輻射的特性是需要進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)的,因此對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)聲

3、輻射特性方面的研究是非常值得開展的。本文的目的在于通過對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在水中振動(dòng)和聲輻射特性的研究,探討復(fù)合材料結(jié)構(gòu)水中振動(dòng)和聲輻射的特征與機(jī)理,尋求有效的數(shù)值計(jì)算方法,研究復(fù)合材料自身具有的各向異性和粘彈性特性對(duì)水中結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲輻射的影響,從隔聲方面探索復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在新型艦船上的應(yīng)用前景。這不僅在理論上是對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的豐富,為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計(jì)提供合適的計(jì)算方法及理論依據(jù),并且為包括航空航天、石油化工等在內(nèi)的軍用和民用工程領(lǐng)

4、域中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計(jì)工作同樣具有重要的指導(dǎo)意義。由于國內(nèi)外這方面研究?jī)?nèi)容的缺乏,本文開展的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)水中振動(dòng)和聲輻射方面的研究,無論從理論上還是工程應(yīng)用角度,論文的選題都具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性。 本論文采用結(jié)構(gòu)有限元法和聲學(xué)邊界元法,對(duì)水中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和聲學(xué)特性進(jìn)行了研究。分析在典型應(yīng)用條件下,復(fù)合材料板或殼體結(jié)構(gòu)受機(jī)械激勵(lì)與流場(chǎng)聲激勵(lì)時(shí)水中聲輻射的特性及復(fù)合材料各向異性和粘彈性阻尼特性對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲學(xué)特性的影響。為復(fù)合

5、材料結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法和理論依據(jù)。從振動(dòng)和聲輻射方面探索復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在艦船上的應(yīng)用前景。 首先,本文全面回顧了各向異性粘彈性復(fù)合材料和復(fù)合材料夾層板結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性以及水中結(jié)構(gòu)聲輻射的研究現(xiàn)狀,比較了各種數(shù)值方法的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)目前的研究熱點(diǎn)和研究趨勢(shì)作了全面的總結(jié)。 板是工程中重要的結(jié)構(gòu)形式之一,早期的板單元大多基于經(jīng)典的薄板理論,這種理論沒有計(jì)及板的橫向剪切變形,采用這一理論分析板結(jié)構(gòu)的高階振動(dòng)時(shí)頻率偏高

6、。由于實(shí)際應(yīng)用的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)其厚度較大,而橫向剪切剛度較小,因此采用經(jīng)典薄板理論來分析復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題顯得不足。本文基于一階剪切理論(FSDT),構(gòu)造了適用于任意鋪設(shè)情形的四邊形和三角形復(fù)合材料層合板殼單元,用以分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和的振動(dòng)問題。采用復(fù)模量來分析復(fù)合材料的粘彈性阻尼特性。由于FSDT 單元的撓度和轉(zhuǎn)角獨(dú)立插值,當(dāng)分析薄板時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的剪切閉鎖問題,使解答不準(zhǔn)確。本文從無剪切閉鎖的 Timoshenko層合厚梁理論

7、出發(fā),根據(jù)厚梁位移確定單元邊界的剪應(yīng)變,再確定單元的增補(bǔ)位移場(chǎng)(由于剪切變形所引起的附加位移場(chǎng)),并將增補(bǔ)位移場(chǎng)疊加到薄板位移場(chǎng)中去,以此構(gòu)造厚板單元。當(dāng)厚板趨于薄板時(shí),增補(bǔ)位移場(chǎng)自動(dòng)趨于零(由 Timoshenko梁函數(shù)控制),單元自動(dòng)退化為原來的薄板單元,從而從根本上避免了FSDT 板單元當(dāng)板厚變小時(shí)的剪切閉鎖問題。 以往的央層板理論大多僅考慮了芯層材料的橫向剪切應(yīng)變和應(yīng)力,而很少考慮芯層的橫向正應(yīng)變和正應(yīng)力。夾層板的芯層

8、與面板相比,其厚度要大很多,而其彈性模量則要小很多,很容易產(chǎn)生橫向壓縮或拉伸變形。因此忽略芯層橫向正應(yīng)力和正應(yīng)變的夾層板理論是不太合理的。同時(shí),對(duì)于夾層板結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)在低頻時(shí)主要以彎曲振動(dòng)的形式向外輻射噪聲,當(dāng)結(jié)構(gòu)受到高頻激勵(lì)時(shí),結(jié)構(gòu)會(huì)以壓縮波的形式向外輻射噪聲.以往的夾層板理論由于忽略了芯層的橫向正應(yīng)變,將不能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)模式,這與實(shí)際結(jié)構(gòu)是不相符合的。為了消除這一不足,本文構(gòu)造了一個(gè)復(fù)合材料夾層板單元,該單元的面板和芯層均為粘彈

9、性材料,夾層板的上下面板采用上述的FSDT單元以及層合板理論進(jìn)行分析；假定芯層的位移沿厚度方向線性變化,并用上下面板的自由度表示,最終形成以上下面板自由度表示的系統(tǒng)總的運(yùn)動(dòng)方程。該單元可以體現(xiàn)夾層結(jié)構(gòu)的橫向壓縮變形。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:無論對(duì)于靜力問題、動(dòng)力問題還是聲輻射等問題,考慮芯層的橫向壓縮變形是合理的,也是有必要的。 邊界元法是聲學(xué)計(jì)算的有效的數(shù)值方法,只需對(duì)邊界進(jìn)行離散,由于基本解自動(dòng)滿足無窮遠(yuǎn)處的輻射邊界條件,對(duì)求解無

10、限域問題非常有效。但聲學(xué)邊界元法本身也存在特征頻率處解不唯一和超奇異積分等問題。本文采用常值的三角形或四邊形面元對(duì)結(jié)構(gòu)的邊界進(jìn)行離散,采用復(fù)合邊界元法(CHIE)來消除特征頻率處解不唯一的問題,由此帶來的超奇異數(shù)值積分則采用解析的方法將面積分轉(zhuǎn)化成沿單元邊界的線積分來克服。此外,將聲學(xué)邊界元法和上述結(jié)構(gòu)有限元法相結(jié)合,建立了彈性結(jié)構(gòu)在聲場(chǎng)中的耦合振動(dòng)和結(jié)構(gòu)聲透射的數(shù)值計(jì)算模型。 聲學(xué)直接邊界元法在計(jì)算諸如平板等非封閉結(jié)構(gòu)時(shí),需要

11、在結(jié)構(gòu)的所有表面均進(jìn)行離散,對(duì)于厚度較小的結(jié)構(gòu),上下表面均離散的直接邊界元法會(huì)導(dǎo)致數(shù)值積分奇異的困難。另一種計(jì)算開口結(jié)構(gòu)聲學(xué)問題的方法是采用以聲壓差作為未知量的間接邊界元法,但間接邊界元法的公式在推導(dǎo)過程中假定結(jié)構(gòu)的厚度很小、而且上下表面的法向量和速度大小相等。只要上述條件中有一個(gè)不滿足,間接邊界元法就無法應(yīng)用。本文所研究的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu),由于考慮了芯層的橫向壓縮變形,結(jié)構(gòu)兩表面的振動(dòng)速度必然不相等。因此計(jì)算本文夾層板形式的開口結(jié)構(gòu)聲

12、學(xué)問題時(shí),不能采用間接邊界元法.針對(duì)上述不足,本文提出一種計(jì)算開口結(jié)構(gòu)聲輻射問題的虛擬邊界法:在開口結(jié)構(gòu)上人為地加上邊界,使其成為一個(gè)或多個(gè)相互獨(dú)立的封閉結(jié)構(gòu),對(duì)這樣的封閉結(jié)構(gòu)分內(nèi)外聲場(chǎng)分別建立方程,并利用虛擬邊界上的壓力和速度連續(xù)條件聯(lián)立求解,從而避免了間接邊界元和直接邊界元法計(jì)算開口結(jié)構(gòu)聲輻射問題時(shí)存在的缺陷,為開口結(jié)構(gòu)的聲學(xué)計(jì)算提供了一種有效的數(shù)值方法。同時(shí)采用本文的方法還可以同時(shí)得到聲場(chǎng)中非物面邊界上質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度和壓力,這是常