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原文传递复杂壳体耦合系统振声特性及其主动隔振策略研究

论文题名：	复杂壳体耦合系统振声特性及其主动隔振策略研究
关键词：	水下航行器;主动隔振;壳体耦合;振声特性
摘要：	动力机械是水下航行器的主要振动源之一，其在工作时产生的振动将传递给基础，并通过壳体向外界流体介质产生声辐射，严重影响舰船的安全隐蔽性。主动隔振可以有效降低壳体结构振动和对外声辐射，在舰船减振降噪领域具有重要的应用前景。然而，此方面的现有研究将主动隔振系统与船体结构振动声辐射问题分开来独立研究，极大地制约了此类问题的进一步研究和实际应用。本文结合实际的水下航行器结构，建立了双层主动隔振-壳体-外界流场耦合系统的分析和控制理论模型，基于对该模型的理论分析、仿真和试验研究，进一步探讨耦合系统的振动能量传递特性及主动隔振对壳体声辐射的控制机理，以期为水下航行器主动隔振系统-壳体结构-声辐射的分析、主动隔振系统的设计和机械噪声的主动控制提供扎实可靠的理论依据和方法参考。本文开展的具体工作如下：　　基于改进的Fourier级数法与谱单元方法，提出了一种复杂壳体组合结构的一般建模方法并建立了具有锥壳、加筋圆柱壳、球壳、舱室隔板、矩形板的壳体模型。该方法对弹性结构位移分量采用统一的容许函数进行描述，并利用三维弹性耦合器构建组合结构的位移和力协调关系，这样既可以更为切合实际地建立具有一般弹性边界和耦合条件的组合壳体模型，又可以提升具有重复单元的组合结构的建模效率，具有重要的实际应用和推广价值。通过与数值软件及现有文献结果相比较，验证了本文方法的准确性和收敛性，并分析了耦合系统刚度系数、舱室隔板、加强环筋对结构振动特性的影响及强迫振动时各子结构间的振动传递特性。设计并搭建了板壳组合结构的试验台架，通过测取壳体结构的频响函数验证了本文方法的准确性。　　建立了的双层隔振-壳体耦合系统的动力学分析模型。该理论模型中同时融合了经典的刚体-刚体、刚体-弹性体耦合及本文提出的弹性体-弹性体耦合处理方法，可以在根本上以振型耦合的角度解读耦合系统振动传递的物理本质，为实际中隔振系统的设计及振动预报提供可靠的理论分析模型。搭建双层隔振-板壳组合结构的试验平台，从试验的角度验证了该理论分析模型的准确性。结合耦合系统固有特性分析，开展耦合系统的功率流传递特性和壳体结构动能的分布规律研究，并综合考察隔振器对耦合系统振动传递特性的影响机理。　　建立了双层隔振-壳体耦合系统的主动控制模型。从耦合系统振动传递及在壳体上的振动分布两个角度，分别设计了功率流最小化及结构动能最小化主动控制策略。考虑初级激励力的不同形式，综合分析主动作动器的安装位置及数目对两种策略控制效果的影响。结合壳体结构动能在各子结构上的分布规律，设计了的结构动能最小化控制的优化策略，并以结构动能为参考评估各优化策略的控制效果。通过加权矩阵的方法构建受约束控制方案，并分析该方案对耦合系统振动传递的控制效果，使得本文的研究更具有实际应用价值。　　提出了一种将改进的Fourier级数法与直接边界元法相结合的声固耦合方法，建立了水下航行器壳体结构的流固耦合分析模型。该方法的建模过程对外界流体介质、壳体结构类型及耦合和边界条件进行了一般化地描述，因而在复杂壳体结构的声振特性分析领域具有重要的应用前景。通过与数值软件结果相比较，验证了该方法的准确性和收敛性。结合水下航行器壳体设计中存在的实际问题，深入分析外界流体介质、内部舱室隔板、加强环筋、双层隔振系统对复杂壳体组合结构振声传递特性的影响机理，为壳体结构的声学设计提供可靠的理论依据。　　建立了双层主动隔振-壳体-外界流场耦合系统的分析模型。该模型将主动隔振、复杂壳体组合结构及外界流体介质组成了有机统一的整体，对整体系统的分析将有利于准确把握各部分振动传递和声辐射机理。设计了以壳体声辐射为目标的声功率最小化控制策略，综合分析初级激励力形式、流体介质、作动器数目及安装位置对声辐射控制效果的影响。结合结构振动姿态分析，深入探讨了主动隔振对复杂壳体在流体介质中声辐射的控制机理。以水下壳体表面辐射声功率为目标，综合评价传递功率最小化、壳体结构动能最小化、声功率最小化三种策略的控制效果，并结合主动控制力分析，为实际中机械减振降噪提供新的思维和方法参考。
作者：	马相龙
专业：	轮机工程
导师：	刘志刚
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文