（多層復(fù)合）圓柱殼體的振動(dòng)和聲輻射研究.pdf

1、圓柱殼體的振動(dòng)和聲輻射問題是水下海洋結(jié)構(gòu)物研究的一個(gè)重要組成部分。在過(guò)去的幾十年里，很多研究致力于相關(guān)主題，其中有三個(gè)主題很重要，歸納如下： (1)結(jié)構(gòu)和其周圍的聲學(xué)流體構(gòu)成了一個(gè)反饋嵌套，即：結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以誘發(fā)聲學(xué)流體的擾動(dòng)，振動(dòng)的能量得以向外輻射；反過(guò)來(lái)，聲學(xué)流體分別以輻射阻尼和附加質(zhì)量的形式對(duì)結(jié)構(gòu)有反作用，并且改變了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)；如此往復(fù)。在過(guò)去的幾十年里，更多的注意放在如何分析此類耦合系統(tǒng)的振動(dòng)和聲學(xué)特性等問題上，而結(jié)構(gòu)和

2、附連聲學(xué)介質(zhì)之間的相互作用力特性以及各子結(jié)構(gòu)之間的相互作用力特性還沒有充分地研究；而且，其在何種程度上影響系統(tǒng)的振動(dòng)和聲輻射等問題對(duì)更好地理解的相關(guān)問題背后的潛在機(jī)理很有指導(dǎo)意義。 (2)殼體和其內(nèi)部的子結(jié)構(gòu)之間的相互作用在整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和聲學(xué)特性中起著重要作用。在其間的連接處，結(jié)構(gòu)波會(huì)發(fā)生反射，折射，甚至波型之間發(fā)生轉(zhuǎn)換，其綜合的結(jié)果就是導(dǎo)致殼體中彈性波共振頻率的改變。相應(yīng)地，整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)必然和沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的殼體的響應(yīng)不

3、同，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)的存在可以在整個(gè)結(jié)構(gòu)的聲學(xué)信號(hào)中顯現(xiàn)出來(lái)?；谏鲜隼碛?，針對(duì)相應(yīng)問題的進(jìn)一步研究仍然很有必要。 (3)復(fù)合材料由于有很優(yōu)良的屬性，比如其可以比大多數(shù)金屬材料有更輕的重量，更高的強(qiáng)度和強(qiáng)度，因而經(jīng)常用來(lái)建造圓柱殼體。和均質(zhì)殼體相比，多層復(fù)合殼體的振動(dòng)和聲輻射問題更復(fù)雜一點(diǎn)，而且，其獨(dú)特的材料屬性將在殼體的振動(dòng)和聲輻射中扮演何種重要的角色，類似的問題還沒有很好的回答。 在很多工程領(lǐng)域，特別是在船舶與海洋工程中

4、，上述問題是設(shè)計(jì)工程師和研究人員很感興趣的?；谏鲜隼碛桑疚膹?復(fù)合)殼體結(jié)構(gòu)和聲學(xué)流體相互作用的基本問題出發(fā)，采用近似法和解析法研究有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的(復(fù)合)殼體的振動(dòng)和聲輻射問題，通過(guò)討論內(nèi)部結(jié)構(gòu)、流體載荷以及復(fù)合材料的材料屬性對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)和聲輻射的影響，深入分析水下(復(fù)合)殼體的振動(dòng)和聲輻射特性，從而為相關(guān)領(lǐng)域的工程師和研究人員提供指導(dǎo)性建議；為此，本文做了如下工作： (1)用拉格朗日方程和拉格朗日乘子法相結(jié)合的方法建立有流體負(fù)

5、載的，有內(nèi)部平板連接的有限長(zhǎng)圓柱殼體的振動(dòng)控制方程。推導(dǎo)板殼之間剛性和鉸接的廣義的約束方程，根據(jù)諾伊曼邊界條件以格林函數(shù)的形式描述聲學(xué)介質(zhì)對(duì)有限殼體的廣義壓力。 (2)理論研究點(diǎn)激勵(lì)的，有流體負(fù)載的雙周期圓環(huán)加強(qiáng)的多層復(fù)合圓柱殼體的聲輻射問題。該理論基于經(jīng)典的多層復(fù)合殼體理論，亥姆霍茲方程，以及殼體－流體交界面，殼體－圓環(huán)連接出的邊界條件，還有無(wú)窮遠(yuǎn)輻射條件。殼體和圓環(huán)只通過(guò)法向力相互作用。殼體在波數(shù)域上的徑向位移采用梅斯處理無(wú)

6、限大平板的方法求出，遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓采用穩(wěn)相法解出。通過(guò)數(shù)值結(jié)果討論殼體層疊方案、泊松系數(shù)和鋪設(shè)角對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射的影響；并采用螺旋波譜來(lái)分析多層復(fù)合殼體內(nèi)部周期圓環(huán)、鋪設(shè)角對(duì)殼體振動(dòng)特征的影響。 (3)推導(dǎo)流體負(fù)載下，多層復(fù)合圓柱殼體在三種類型機(jī)械激勵(lì)(即：沿著面內(nèi)和徑向的點(diǎn)力、環(huán)力及均勻分布的局部面力)作用下的振動(dòng)和遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射解析表達(dá)式。該理論基于經(jīng)典的多層復(fù)合殼體理論，亥姆霍茲方程，以及殼體－流體交界面，殼體－圓環(huán)連接出的邊界條件，還

7、有無(wú)窮遠(yuǎn)輻射條件。采用傅立葉變換技術(shù)求殼體的響應(yīng)，采用穩(wěn)相法來(lái)求遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓。通過(guò)殼體在不同類型機(jī)械激勵(lì)下的遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射的計(jì)算結(jié)果，討論多層復(fù)合殼體內(nèi)彎曲波和壓縮波之間的耦合對(duì)聲輻射的影響。 (4)推導(dǎo)軸向周期的無(wú)限圓柱殼體的流體載荷的漸近表達(dá)式，對(duì)足夠大宗量的貝賽爾函數(shù)，該表達(dá)式等于無(wú)限平板的流體載荷形式。通過(guò)無(wú)限圓柱殼體波阻抗的理論結(jié)果和漸近結(jié)果的比較，揭示無(wú)限圓柱殼體流體負(fù)載的特性以及板殼聲輻射機(jī)理之間的內(nèi)部聯(lián)系。有助于更好地理