敷设多孔介质层双层旋转壳的振动特性分析与优化

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多孔介质材料已经在诸多领域中被广泛应用于声振被动控制,如汽车、航天、地理和土木工程等。旋转壳比一般的板壳结构具有更好的结构强度,其外部具有良好流线以降低流体阻力。这一特点被广泛应用于交通运输工程中,例如潜艇、飞机和高速列车头部、超音速汽车整体外形等。将多孔吸声材料敷设在板壳上,对结构减振降噪有明显的效果。但是这类问题的建模存在一定的困难,求解多采用有限元这类数值方法,在较高的频率范围存在一定误差。针对这一问题,本文对单层多孔介质弹性旋转薄壳和敷设多孔介质层双层旋转壳结构的动力学分析开展了研究。研究工作主要分为两部分:第一部分是建立含饱和流体多孔介质弹性旋转壳的理论模型,进行振动特性分析;第二部分是在第一部分完成的基础上建立含有多孔介质层的双层旋转壳的理论模型;第三部分了分析多孔介质层对旋转壳振动效果影响并进行了优化。在含有饱和流体的多孔介质结构建模方法上,现有文献一部分是对流体在位移上采取了简化假设;一部分是根据流体与固体骨架体积模量相差的数量级将整个两相介质等效成为一种刚性等效流体模型或者柔性等效流体模型;最后一部分采用等效媒质法,其思想也是将多孔介质等效成一种连续介质。在求解方法上多采用有限元方法,在中、高频易产生误差,提高精度需要增加大量单元,这使计算效率大大降低。本文结合经典弹性薄壳理论和三维Biot含饱和流弹性多孔介质理论,建立了多孔介质旋转壳的一阶微分控制方程。该模型适用于任何边界条件,并且没有对流体位移进行任何假设,完整得考虑了流体与骨架的相对运动。求解方法上,基于齐次扩容精细积分技术,结合边界条件先对一阶微分控制方程进行了齐次扩容处理,然后采用了求解此类方程的高精度数值方法——精细元法对模型进行了求解。最后通过试验、等效流体和等效媒质法对本文模型准确性进行了验证。分析了物理参数和结构参数对结构振动特性的影响。在含多孔介质层双层旋转壳建模中,基壳层直接沿用了多孔介质层的模型(将孔隙率取0)得到基壳层的控制方程。通过受力分析,将层间的法向相互作用力、切向相互作用力以及剪切相互作用力产生的偏心距引入单层控制方程非齐次项中,利用叠加原理得到含有未知系数的位移函数表达。通过双层壳变形协调关系和层间位移连续性条件求解未知系数,从而建立一种分析敷设多孔介质双层旋转壳结构振动特性的数值模型。借助响应面法分析了多孔介质对结构振动特性的影响,通过理想点法完成多目标优化,将多孔介质层对结构减振效果发挥到最佳。最后,总结了工作内容、研究成果和不足之处,并对后续相关研究进行了展望。
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