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声振耦合声场分析与声辐射结构优化

哈尔滨工业大学学报 2021年第12期53卷 98-105页

作者：王旭东朱拥勇王德石海军工程大学兵器工程学院武汉430033 中国人民解放军92064部队广东东莞523900

为实现内声场和外声场同时存在的强耦合声辐射预报和噪声优化,建立有限元/边界元强耦合方程,并给出两种声功率灵敏度的求解方法。首先给出结构和内声场的声振耦合有限元方程,并考虑外声场声介质对结构的反作用,根据交界面力和法向速度... 详细信息

为实现内声场和外声场同时存在的强耦合声辐射预报和噪声优化,建立有限元/边界元强耦合方程,并给出两种声功率灵敏度的求解方法。首先给出结构和内声场的声振耦合有限元方程,并考虑外声场声介质对结构的反作用,根据交界面力和法向速度的连续性建立有限元/边界元强耦合方程;然后针对声功率拓扑优化中单元灵敏度分析时难以解耦的问题,将声功率转化为以结构位移为变量的表达形式,并修改伴随方程,实现将该方法扩展至强耦合优化问题中;同时针对伴随变量法(adjoint variable method,AVM)推导过程复杂的问题,提出声功率灵敏度的直接求导法;最后采用线性化刚度方法将结构单元相对密度作为连续设计变量,对不同的结构材料和声介质组合优化问题展开研究。对比计算表明:该耦合模型计算的响应值与采用无反射边界的有限元法计算结果基本吻合;直接求导法和伴随变量法均可使迭代达到收敛,但直接求导法推导过程更简洁高效;数值优化算例证明优化算法的适用性较好,在声功率优化设计中的有效性。

关键词：声辐射声振耦合强耦合拓扑优化声功率灵敏度

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双层加筋板水下声振耦合特性研究

船舶力学 2019年第1期23卷 78-87页

作者：张冠军朱翔李天匀翁章卓武汉理工大学能源与动力工程学院武汉430063 华中科技大学船舶与海洋工程学院武汉430074 中国舰船研究设计中心武汉430064

文章以双层加筋板为对象,分别采用传统的结构有限元耦合声学边界元(FEM/BEM)方法和结构有限元/声学自动匹配层(FEM/AML)直接声振耦合计算方法,计算了结构水下辐射噪声,并对两种方法进行对比分析,验证了FEM/AML直接声振耦合算法的准确性... 详细信息

文章以双层加筋板为对象,分别采用传统的结构有限元耦合声学边界元(FEM/BEM)方法和结构有限元/声学自动匹配层(FEM/AML)直接声振耦合计算方法,计算了结构水下辐射噪声,并对两种方法进行对比分析,验证了FEM/AML直接声振耦合算法的准确性及高效性。在此基础上,采用FEM/AML直接声振耦合计算方法研究了双层加筋板结构单面触水的声振耦合特性,分析了载荷位置、载荷的性质,双层板的板厚、筋板的厚度以及布置方式等结构参数对辐射噪声的影响。

关键词：双层加筋板声振耦合有限元自动匹配层

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弹性空腔声振耦合试验相似动力学特性分析

航空动力学报 2018年第11期33卷 2611-2619页

作者：施傲路波杨党国王显圣刘俊周方奇中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室四川绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所四川绵阳621000

针对典型弹性空腔声振耦合高速风洞试验问题,基于风洞试验相似原理,以典型弹性空腔为实例,采用量纲分析法建立了完全几何相似模型固有频率和频率响应的相似关系;结合结构有限元理论,通过引入完全几何相似模型作为过渡模型,建立了厚度畸... 详细信息

针对典型弹性空腔声振耦合高速风洞试验问题,基于风洞试验相似原理,以典型弹性空腔为实例,采用量纲分析法建立了完全几何相似模型固有频率和频率响应的相似关系;结合结构有限元理论,通过引入完全几何相似模型作为过渡模型,建立了厚度畸变缩比模型固有频率和频率响应的相似关系;开展了缩比弹性空腔模型的固有频率及动力学响应的数值仿真。根据缩比模型的计算结果,利用已建立的相似关系对全尺寸模型的动力学响应进行预测,结果表明:预测响应曲线与实际计算结果曲线基本重合,验证了提出的缩比空腔模型固有频率及频响相似关系的可行性,为基于动力学相似的缩比弹性空腔风洞试验模型设计和声振耦合试验提供理论指导,且该相似关系的分析方法可推广应用于复杂外形薄壁结构的动力学相似关系建立中。

关键词：弹性空腔相似理论动力学相似声振耦合风洞试验

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大潜深耐压球壳结构的声振耦合特性研究

船舶力学 2022年第4期26卷 584-594页

作者：李凯俞孟萨中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

考虑剪切变形和转动惯量,建立计及静水压力作用的厚球壳声振耦合模型,针对机械点力激励,计算分析厚壁几何特征和静水压力载荷对大潜深耐压球壳声振耦合特性的影响。结果表明:厚壁球壳耦合振动响应远小于薄壁球壳,但两者水下声辐射的差... 详细信息

考虑剪切变形和转动惯量,建立计及静水压力作用的厚球壳声振耦合模型,针对机械点力激励,计算分析厚壁几何特征和静水压力载荷对大潜深耐压球壳声振耦合特性的影响。结果表明:厚壁球壳耦合振动响应远小于薄壁球壳,但两者水下声辐射的差距大幅缩小;厚壁特征和静压载荷形成的附加刚度和附加质量效应降低了球壳耦合共振频率,进而改变了峰值点阻抗特性和水下声辐射幅值特征,在低频段,静压载荷对声辐射峰值的影响更大,而在中高频段,厚壁特征的影响更加突出;对于厚径比h/a>0.05的大壁厚球壳,在无量纲频率Ω>1时,应采用厚壳理论模型开展振动声辐射计算;在极限压力条件下,还应考虑静压载荷对球壳水下声辐射的影响,尤其是对低频峰值特征的影响。

关键词：大潜深球壳厚壳理论静水压力声振耦合

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开孔蜂窝夹芯结构的声振耦合疲劳寿命分析

哈尔滨工业大学学报 2020年第12期52卷 91-97页

作者：李若薇赵海涛袁明清陈政陈吉安上海交通大学航空航天学院上海200240

为研究蜂窝夹芯结构上面板开孔直径大小对结构的声疲劳寿命的影响,采用了声振耦合的分析方法.首先对结构进行有限元分析,得到结构的低阶模态以及其对应的频率;随后对声场进行边界元单元划分,建立声场-结构的耦合动力学模型;为降低计算量... 详细信息

为研究蜂窝夹芯结构上面板开孔直径大小对结构的声疲劳寿命的影响,采用了声振耦合的分析方法.首先对结构进行有限元分析,得到结构的低阶模态以及其对应的频率;随后对声场进行边界元单元划分,建立声场-结构的耦合动力学模型;为降低计算量,对于输入的噪声载荷进行主成分分析,提取各阶主成分作为输入条件,通过数值分析得到结构在各频率、各主成分下的动力学响应;通过基于模态叠加法的随机声场后处理得到结构危险点的功率谱密度函数;最后结合P-M线性累计损伤理论、概率密度函数等作为功率谱密度法的输入条件计算结构的声疲劳寿命.结果表明,虽然结构表面开孔,会使结构刚度降低、孔边应力集中,但开孔直径较小时,每一个蜂窝单胞都是一个天然的赫姆霍兹共鸣器,声波在开孔结构中传播时受到空气粘滞性的影响,传播过程中将产生热损耗,能够吸收部分声能,降低噪声,因此对结构的声疲劳寿命具有积极作用.

关键词：开孔蜂窝夹芯结构声振耦合功率谱密度法声疲劳随机振动

采用非匹配网格离散的快速边界元-有限元宽频声振耦合分析

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西安交通大学学报 2018年第10期52卷 167-176页

作者：王博王焘尤军峰校金友西北工业大学航天学院西安710072 中国航天科技集团公司四院四十一所西安710025

为构造出性能优异的声振耦合仿真系统,采用直接耦合方法建立了声振问题的边界元-有限元耦合方程,并对其求解方案的选取进行了详细讨论,最终实现了大规模耦合线性方程组的快速求解;考虑更具一般意义的耦合界面上声场边界元网格和结构有... 详细信息

为构造出性能优异的声振耦合仿真系统,采用直接耦合方法建立了声振问题的边界元-有限元耦合方程,并对其求解方案的选取进行了详细讨论,最终实现了大规模耦合线性方程组的快速求解;考虑更具一般意义的耦合界面上声场边界元网格和结构有限元网格不匹配的情形,采用加权余量法构造了高阶非匹配单元之间的数据交换矩阵,实现了耦合界面上各物理场之间的高精度数据交换;介绍了适用于宽频问题的快速定向算法的实现原理,并将其引入声振耦合方程,在全频段内实现了对常规边界元矩阵的有效压缩,提高了声振耦合方法的计算效率;通过解析算例和自由度超过40万的大规模复杂算例,验证了本文方法的正确性和性能,特别是与现有同类方法相比,本文方法在保证高精度的同时,适用频段明显更宽,可达现有方法的3～4倍。

关键词：声振耦合边界元有限元快速定向算法非匹配网格数据交换

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舷间液舱模型声振耦合特性及声辐射控制

船舶力学 2019年第1期23卷 96-109页

作者：王世彦俞孟萨中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

水下航行体内部设备产生的振动能量通过舷间液舱侧板和舱内水介质两个途径的耦合和传递,在外场产生辐射噪声,成为机械噪声控制的一个短板。文中以舷间液舱外场声辐射控制为背景,采用解析方法建立了液舱结构振动与内外声场的声振耦合模型... 详细信息

水下航行体内部设备产生的振动能量通过舷间液舱侧板和舱内水介质两个途径的耦合和传递,在外场产生辐射噪声,成为机械噪声控制的一个短板。文中以舷间液舱外场声辐射控制为背景,采用解析方法建立了液舱结构振动与内外声场的声振耦合模型,计算分析了液舱侧板及液舱内部介质对振动传递和外场声辐射的影响,结果认为敷设声学覆盖层并减小液舱侧板材料刚度能够有效控制外场辐射声功率。文章为舷间液舱的"声短路"控制提供了新的思路。

关键词：平板加肋结构声振耦合液舱

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中频声振耦合的波函数统计能量法

声学学报 2020年第5期45卷 777-784页

作者：蒋运策徐中明张志飞高开展重庆大学汽车工程学院重庆400044

为了提高中频声振耦合的计算效率,提出了波函数-统计能量法的结构声学耦合方法,该方法从波动理论的角度出发,将波函数法(WBM)和统计能量法(SEA)结合,通过在耦合面分别施加声压激励和速度边界条件,推导了耦合面参数理论计算公式。将该方... 详细信息

为了提高中频声振耦合的计算效率,提出了波函数-统计能量法的结构声学耦合方法,该方法从波动理论的角度出发,将波函数法(WBM)和统计能量法(SEA)结合,通过在耦合面分别施加声压激励和速度边界条件,推导了耦合面参数理论计算公式。将该方法用到长方体声腔和钢板耦合的模型中,并对100〜1000 Hz的计算结果进行了实验验证。WBM-SEA模型与参考FEM-SEA模型以及实验模型的频响曲线对比结果表明,WBM-SEA与FEM-SEA以及实验结果吻合很好,验证了混合WBM-SEA的有效性。通过收敛性分析发现混合WBM-SEA方法计算时间比混合FEM-SEA方法更少。从而可以得出结论:混合波函数-统计能量法方法对中频声振耦合预测是有效的,且比FEM-SEA更加高效。

关键词：波函数统计能量法声振耦合耦合方法频响曲线波动理论理论计算公式结构声学

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含吸声材料的变边界声振耦合拓扑优化研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2019年第10期47卷 93-98页

作者：王旭东王德石刘宝海军工程大学兵器工程学院湖北武汉430033 海军工程大学电子工程学院湖北武汉430033

根据水中结构的声振耦合理论,考虑了流体与结构耦合面随优化过程发生改变的情况,发展了一种含吸声材料的拓扑优化算法.由交界面相容性条件,采用阻尼边界层的模型描述吸声材料层,建立了声-结构相互作用的声振耦合模型.进一步结合双向渐... 详细信息

根据水中结构的声振耦合理论,考虑了流体与结构耦合面随优化过程发生改变的情况,发展了一种含吸声材料的拓扑优化算法.由交界面相容性条件,采用阻尼边界层的模型描述吸声材料层,建立了声-结构相互作用的声振耦合模型.进一步结合双向渐进结构优化算法优化结构,以一阶或多阶固有频率最大化为目标函数,对水中结构进行优化.结果表明:采用耦合模型计算的固有频率和振型与数值软件的结果符合较好,计算结果可信;该算法收敛较快,数值稳定性较好;所提出的优化方法通过流体与结构材料适当地重新分布,在等体积约束条件下可大幅提高耦合固有频率;在体积缩减的条件下实现最大限度地避免固有频率的降低.

关键词：变耦合边界声振耦合拓扑优化固有频率多目标优化