射流载荷作用下薄板结构加强筋仿脉序布局优化研究

作     者：艾红旭 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：史冬岩

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：射流载荷 流固耦合 仿叶片脉序 声辐射优化 结构优化 

摘      要：加筋板结构具有结构简单,材料消耗少,以及强度高、稳定性好等一系列优点,所以一直被广泛的应用于航天和船舶制造等相关领域。同时,由于加筋板结构具有良好的力学特性,受到了各国科研人员的广泛关注。目前,对加筋板结构的研究工作主要集中于加筋板的静力分析以及冲击载荷作用下的动态响应分析,在研究对象上以正交布筋方式的加筋板为主,对加筋板的振动声辐射特性和布筋方式基于仿生原理的加筋板所展开的研究工作相对较少。因此,本文基于自然界中植物叶脉生长的力学规律,建立了射流载荷作用下仿脉序加筋板的结构振动模型和声辐射优化模型,经过结构优化后得到最终合理的加强筋分布曲线。首先,将气泡射流载荷的形成原因和射流过程进行了简要的描述,对射流载荷作用结构时的水锤压力公式进行了推导。运用声学基本理论建立了板壳结构振动声辐射模型,并进行相应的数值验证,并建立了射流载荷与结构相互作用的耦合有限元模型。其次,设计了低压电火花放电打火的气泡射流实验方案,在实验的过程中采用了固壁在气泡上端和固壁在气泡下端的两种典型的工况,对不同爆距下的射流速度、射流载荷形状和水锤压力等基本常量进行测量。利用边界元法编程模拟气泡射流时的动态过程,将数值结果与实验值进行对比论证。第三,将实验获得的射流载荷加以总结并简化,将简化后的射流载荷与加强筋仿脉序生长原理相结合,以板壳结构振动声辐射理论作为加强筋布局的优化准则,得到合理的加强筋分布曲线,并对不同“种子分布方式的仿脉序加筋板进行声辐射对比分析。最后,将仿脉序生长的加筋板和实验中测得的射流载荷建立有限元模型,应用有限元软件对四种不同布筋方式的加筋板进行射流载荷作用下的冲击动态响应分析。通过对射流载荷作用下加强筋仿脉序布局优化的研究,证明了本文所应用的方法能有效的降低结构振动的声辐射和加筋板结构在振动过程中的变形量,并且经过优化后的仿脉序加筋板有易于结构的轻量化。同时,优化后的加强筋分布结果便于加工,可以广泛的应用于实际生产中。