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水下近水面锥柱组合壳声固耦合效应的半解析求解方法

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声学学报 2022年第4期47卷 481-494页

作者：张帅李天匀朱翔戴维华中科技大学船舶与海洋工程学院武汉430074 船舶与海洋水动力湖北省重点实验室上海200240 高新船舶与深海开发装备协同创新中心武汉430074

针对水下近水面锥柱组合壳声固耦合多借助于数值方法求解的现状,本文提出一种半解析方法从机理上分析此类问题。首先基于能量泛函和Sanders壳体理论、虚拟弹簧法以及力与力矩平衡条件建立锥柱组合壳的结构模型;然后采用Legendre谱元法... 详细信息

针对水下近水面锥柱组合壳声固耦合多借助于数值方法求解的现状,本文提出一种半解析方法从机理上分析此类问题。首先基于能量泛函和Sanders壳体理论、虚拟弹簧法以及力与力矩平衡条件建立锥柱组合壳的结构模型;然后采用Legendre谱元法和二维傅里叶变换得到含自由液面的水下声场模型;最后由非线性迭代法和高斯积分求解耦合系统声振控制方程。通过与参考文献和数值方法结果的对比,验证了本文方法的收敛性、正确性和可靠性。研究结果表明,结构参数、浸没深度和激励频率与远场辐射声压密切相关。本文工作可推广到水下含内部结构的复杂旋转组合壳在不同结构边界及声边界下的声固耦合问题。

关键词：二维傅里叶变换声固耦合非线性迭代法半解析方法高斯积分能量泛函壳体理论组合壳

基于能量变分原理的梁-圆柱壳耦合系统振动特性分析

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振动与冲击 2022年第7期41卷 1-10页

作者：聂睿李天匀朱翔陈旭华中科技大学船舶与海洋工程学院武汉430074 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240 船舶与海洋水动力湖北省重点实验室武汉430074

采用能量变分原理研究了梁-圆柱壳耦合系统振动特性。整个耦合结构可分为梁子结构和壳子结构两个部分。首先,分别采用改进傅里叶级数描述梁结构和圆柱壳结构振动位移,求取两者结构动能与结构势能;随后,利用弹簧模拟边界的方式,将边界对... 详细信息

采用能量变分原理研究了梁-圆柱壳耦合系统振动特性。整个耦合结构可分为梁子结构和壳子结构两个部分。首先,分别采用改进傅里叶级数描述梁结构和圆柱壳结构振动位移,求取两者结构动能与结构势能;随后,利用弹簧模拟边界的方式,将边界对结构的约束转化为对应边界势能;同时,利用空间分布弹簧组来连接梁结构与壳结构,使两者耦合效应表现为对应耦合弹簧势能;激励力则可通过外力功的形式加入到整个系统之中。再利用能量变分原理,即可计算耦合系统固有振动特性或受迫振动响应。通过与有限元软件计算结果对比,验证了该方法的正确性。此外,与传统Rayleigh-Ritz法相比,该方法在面对复杂边界条件时,可构建准确的统一分析模型而不需要重新选择位移容许函数。随后,进一步探讨了模型主要参数对耦合系统振动特性的影响。

关键词：能量变分原理梁-壳耦合系统改进傅里叶级数振动特性 Rayleigh-Ritz法

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轴-艇耦合系统自由振动特性建模与分析

哈尔滨工程大学学报 2023年第6期44卷 953-961页

作者：聂睿李天匀朱翔陈旭华中科技大学船舶与海洋工程学院湖北武汉430074 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240 船舶与海洋水动力湖北省重点实验室湖北武汉430074

为了探究水下航行器结构间的振动传递规律,本文基于能量变分原理,以梁-组合壳作为轴-艇耦合系统结构的简化,建立理论计算模型并对其自由振动特性进行分析。引入改进傅里叶级数构造梁结构及组合壳结构的位移函数,得到各自结构的动能和应... 详细信息

为了探究水下航行器结构间的振动传递规律,本文基于能量变分原理,以梁-组合壳作为轴-艇耦合系统结构的简化,建立理论计算模型并对其自由振动特性进行分析。引入改进傅里叶级数构造梁结构及组合壳结构的位移函数,得到各自结构的动能和应变能;分别利用耦合弹簧组和边界弹簧组将结构之间的位移连续条件和边界约束条件转换为对应的耦合弹簧势能;对系统能量泛函进行变分求解,得到耦合系统的固有频率及模态振型。通过与有限元软件的对比,验证了本文计算模型的准确性,并对不同壳体边界条件下耦合系统固有频率变化规律进行计算分析。研究结果表明:耦合系统低频段存在解耦模式,振动模态可等效于刚体结构上的多跨梁弯曲振动;壳体边界约束增强会导致耦合系统大部分固有频率随之增大并最终趋于稳定,但不会对解耦模式的固有频率产生影响。

关键词：水下航行器轴-艇耦合系统自由振动特性能量变分原理改进傅里叶级数固有频率模态振型边界约束

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液面晃荡频率的半解析方法

哈尔滨工程大学学报 2022年第4期43卷 503-508页

作者：韩越洋朱翔郭文杰李天匀华中科技大学船舶与海洋工程学院湖北武汉430074 船舶与海洋水动力湖北省重点实验室湖北武汉430074 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240 华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心江西南昌330013

为了解决内部充液圆柱壳的结构稳定性及安全性会受到内部液体晃荡的影响,本文针对二维圆柱壳在任意充液深度时的自由液面晃荡频率提出了一种半解析求解方法。分别在圆柱壳圆心和自由液面建立结构坐标系和液面坐标系,假设内部液体为无粘... 详细信息

为了解决内部充液圆柱壳的结构稳定性及安全性会受到内部液体晃荡的影响,本文针对二维圆柱壳在任意充液深度时的自由液面晃荡频率提出了一种半解析求解方法。分别在圆柱壳圆心和自由液面建立结构坐标系和液面坐标系,假设内部液体为无粘不可压缩流体,利用拉普拉斯方程,结合小幅晃荡的表面波方程,得出自由液面的速度势函数,通过坐标变换并结合流体-壳体连续边界条件得出液面运动控制方程,采用伽辽金法得出自由液面晃荡频率。通过与其他方法进行对比验证了晃荡频率及模态求解的准确性,然后对不同充液深度下二维刚性圆柱壳自由液面晃荡频率特性进行了讨论。研究表明:本文提出的方法能够准确有效计算二维充液圆柱壳内部液体不同深度下的晃荡频率。

关键词：小幅晃荡圆柱壳任意液深双坐标系伽辽金法半解析法晃荡频率自由液面晃荡模态

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基于能量有限元法的耦合层合梁振动分析

哈尔滨工程大学学报 2023年第9期44卷 1549-1556页

作者：陈校锋朱翔李天匀陈梅英华中科技大学船舶与海洋工程学院湖北武汉430074 船舶与海洋水动力湖北省重点实验室湖北武汉430074 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240 中国舰船研究设计中心湖北武汉430064

为了克服有限元法和统计能量法在中高频段振动分析的不足,本文采用能量有限元法开展了复合材料层合梁的中高频振动分析。基于一阶剪切变形理论,推导了复合材料层合梁的时间平均和空间平均的能量密度和功率,建立结构的能量密度控制方程... 详细信息

为了克服有限元法和统计能量法在中高频段振动分析的不足,本文采用能量有限元法开展了复合材料层合梁的中高频振动分析。基于一阶剪切变形理论,推导了复合材料层合梁的时间平均和空间平均的能量密度和功率,建立结构的能量密度控制方程。根据功率流的连续性建立耦合节点处的连接矩阵,得到总体能量有限元方程。利用有限元方法求解得到对称层合梁的能量密度分布。与波传播法的对比验证了本文耦合层合梁能量有限元模型的准确性。采用Timoshenko梁模型和Euler梁模型计算不同细长比的层合梁的振动,发现转动惯量和剪切变形效应会对较高频段下的振动响应产生显著的影响。耦合角度的增大会增强不同波形之间的转换。能量有限元法适用于传播波波长小于结构尺寸的频段。

关键词：层合梁能量有限元法能量密度一阶剪切变形功率传输系数

基于平面波展开法的声学黑洞梁弯曲波带隙研究

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哈尔滨工程大学学报 2022年第1期43卷 32-40页

作者：李敬朱翔李天匀万志威华中科技大学船舶与海洋工程学院湖北武汉430074 船舶和海洋水动力湖北省重点实验室湖北武汉430074 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

为了进一步提高结构的减振能力,新型减振结构的研究已成必然趋势,声学黑洞作为连续幂律变截面结构,能较好地抑制结构中弯曲波的传播。为了扩展声学黑洞减振频带,本文考虑将声子晶体中周期性结构与声学黑洞结合,构造出以声学黑洞为原胞... 详细信息

为了进一步提高结构的减振能力,新型减振结构的研究已成必然趋势,声学黑洞作为连续幂律变截面结构,能较好地抑制结构中弯曲波的传播。为了扩展声学黑洞减振频带,本文考虑将声子晶体中周期性结构与声学黑洞结合,构造出以声学黑洞为原胞的一维声子晶体梁。基于欧拉梁理论,推导了该声子晶体梁的弯曲波带隙的平面波展开计算方法,分析了该方法的收敛性。利用传递矩阵法验证了带隙计算结果,证明了推导理论的正确性和平面波展开法计算周期黑洞结构带隙的可行性。分析了黑洞材料参数变化对结构带隙特性的影响,结果表明:选择纵波波速较小的材料组成周期黑洞梁能得到低频带隙,调整结构中材料特性的差异能得到宽频带隙。

关键词：声学黑洞弯曲波带隙平面波展开声子晶体低频振动周期结构

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含压电分流阻尼的声学黑洞梁振动特性研究

振动与冲击 2022年第9期41卷 113-119,135页

作者：万志威朱翔李天匀李敬华中科技大学船舶与海洋工程学院武汉430074 船舶与海洋水动力湖北省重点实验室武汉430074 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

针对声学黑洞梁结构,引入压电分流阻尼形成声学黑洞压电复合结构,采用半解析法对其振动特性进行分析。首先基于哈密顿原理,采用墨西哥帽状小波作为型函数,利用能量法对声学黑洞悬臂梁的自由振动和受迫振动进行求解,与有限元法结果吻合良... 详细信息

针对声学黑洞梁结构,引入压电分流阻尼形成声学黑洞压电复合结构,采用半解析法对其振动特性进行分析。首先基于哈密顿原理,采用墨西哥帽状小波作为型函数,利用能量法对声学黑洞悬臂梁的自由振动和受迫振动进行求解,与有限元法结果吻合良好,验证了半解析法的可靠性。然后引入分流阻尼,通过等效介质法将分流阻尼等效为附加材料,利用其局域共振机制,分析了含分流阻尼的声学黑洞梁振动特性,从理论上分析了确定局域共振频率近似方法。压电分流阻尼可以通过调整电感值来使局域共振与结构共振产生耦合,从而使振动响应峰值产生衰减;另一方面适当的阻尼可以使振荡效应消失。针对第一阶共振峰值,设计出的含分流阻尼的声学黑洞梁比传统阻尼层声学黑洞梁的振动有明显衰减,为声学黑洞结构的低频振动控制提供了新的思路。

关键词：声学黑洞分流阻尼半解析法局域共振

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含负泊松比超材料肋板的双层板声振特性分析

振动与冲击 2022年第15期41卷 273-279页

作者：张兆龙朱翔李天匀付俊勇华中科技大学船舶与海洋工程学院武汉430074 船舶与海洋水动力湖北省重点实验室武汉430074 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

构造内六角蜂窝胞元构成的负泊松比超材料,将其作为双层板间的连接结构,基于有限元法和边界元法,对含负泊松比超材料肋板的双层板结构开展了声振分析。分析了内六角蜂窝负泊松比胞元几何特征与力学性能,设计含负泊松比肋板的双层板对其... 详细信息

构造内六角蜂窝胞元构成的负泊松比超材料,将其作为双层板间的连接结构,基于有限元法和边界元法,对含负泊松比超材料肋板的双层板结构开展了声振分析。分析了内六角蜂窝负泊松比胞元几何特征与力学性能,设计含负泊松比肋板的双层板对其振动进行求解,并分析了胞元填充阻尼对振动的影响,结果表明双层板下面板响应相比上面板有明显衰减。控制结构总质量不变,通过调整负泊松比肋板的宽度与厚度,实现胞元等效模量的变化,进而改变肋板刚度,进行振动和辐射噪声计算。结果表明:与平板连接的双层板相比,含负泊松比肋板的双层板对振动能量有良好的吸收和衰减功能,能更好地降低面板的振动响应与辐射噪声;负泊松比肋板的板厚越小,层间结构的等效模量越低,振动与辐射声功率也越低。

关键词：负泊松比双层板结构阻尼振动辐射噪声

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延寿不确定性下疲劳损伤结构的维修策略分析

中国舰船研究 2023年第4期18卷 233-241页

作者：张杰刘炎李天匀卢忆文华中科技大学船舶与海洋工程学院湖北武汉430074 中国舰船研究设计中心湖北武汉430064

[目的]为降低船舶延寿不确定性的影响以及未来延寿期间的疲劳风险,采取基于实物期权分析方法的动态维修序列决策。[方法]以高速船舶的局部疲劳为例,在船舶服役前期加强维修,在后期根据延寿要求确定适应性维修决策,以适应未来可能出现的... 详细信息

[目的]为降低船舶延寿不确定性的影响以及未来延寿期间的疲劳风险,采取基于实物期权分析方法的动态维修序列决策。[方法]以高速船舶的局部疲劳为例,在船舶服役前期加强维修,在后期根据延寿要求确定适应性维修决策,以适应未来可能出现的各种延寿可能性。[结果]结果显示,与传统的维修策略相比,实物期权分析下的灵活决策能够减小延寿不确定性的影响,有效降低船舶延寿期间的失效风险。[结论]采用实物期权分析方法制定的序列决策对于未来出现的延寿不确定性具有很强的适应性,可为维修决策提供一种新的思路。

关键词：疲劳损伤延寿不确定性维修管理实物期权分析灵活性