详情

原文传递减振降噪带隙结构设计及吸声覆盖层拓扑优化

论文题名：	减振降噪带隙结构设计及吸声覆盖层拓扑优化
关键词：	船舶结构;减振降噪设计;带隙特性;吸声覆盖层;拓扑优化
摘要：	在船舶工程领域，抑制结构低频和宽带振动噪声受到研究人员的持续关注。周期结构中弹性波传播具有带隙特性，在某些频率范围内弹性波无法传播通过，这种特殊性质为减振降噪设计开辟了新的道路。板梁结构作为应用在船舶工程中的基本构件，如何利用带隙特性组建具有控制弯曲波传播能力的人工周期板梁结构，对解决减振降噪工作面临的技术挑战和关键问题具有重要意义。目前虽然已有抑制结构振动和噪声的人工周期板梁结构设计，但在实现轻质宽带设计和抑制低频弯曲波传播方面还存在很大的探索空间;另外，利用带隙特性控制夹芯双层板结构传声能力的研究也较少，这无疑限制了新型隔声设计的出现。因此，本论文以改善结构低频宽带减振降噪特性为目标，分别开展了新型周期板梁结构设计和夹芯双层板隔声设计工作。同时，作为一种典型的水下人工周期结构，声学覆盖层通常周期敷设在潜艇结构表面来提高潜艇的声隐身性能，吸收低频和宽带入射声波，同样也是覆盖层未来发展公认的技术特征。如何在有限厚度的材料制约下，基于周期结构理论获得满足低频和宽带吸声要求的几何构型也是本论文考虑的问题。　　综上所述，本论文围绕周期结构面临的低频宽带减振降噪问题展开了深入研究，开展了以带隙特性和吸声特性为研究重点的周期结构设计工作。通过改善结构的带隙特性，比如增大低频带隙宽度、增强弯曲波衰减作用、激发多阶禁带等设计了具备低频宽带减振降噪特性的人工周期板梁结构;本论文将带隙机制拓展到夹芯双层板结构隔声设计中，扩大了带隙特性应用范围，同时提高了结构的低频隔声能力。对于以吸声能力为重要指标的覆盖层结构，本论文结合周期结构理论，引入了拓扑优化方法，直接对材料分布方式进行优化设计，旨在获得能够提高结构低频和宽带吸声能力的最优几何构型。　　主要研究内容包括: 　　(1)基于局域共振原理的新型周期板梁结构设计。局域共振原理可以产生低频带隙，以单层板和连续梁分别作为基体结构，通过引入具备负等效模量的超材料作为局域共振单元以及拓宽基体材料构成，本论文分别提出了新型超材料板和复合局域共振梁结构，旨在拓宽低频带隙的宽度，增大弯曲波衰减程度以及生成多阶局域共振带隙。应用平面波展开方法和传递矩阵方法计算了结构的复数能带，证明了提出的新型板梁结构在弯曲波带隙调控上的有效性。　　(2)基于惯性放大机理的低频弯曲波带隙展宽研究。不同于以往带隙产生机理，惯性放大作用更有利于实现轻质宽带设计。本论文将惯性放大机制首次应用到控制连续体结构中的弯曲波传播中，通过建立周期分布惯性增大装置的连续梁结构获得宽带低频带隙。结合Bloch理论和传递矩阵方法得到了结构的频散特性。数值计算结果不仅证明了宽带低频禁带的存在，还给出了禁带范围内弯曲波衰减的原因:惯性增大装置与基体梁相互作用引起的反共振现象抑制了基体梁的振动。与低频局域共振带隙相比，惯性增大作用生成的低频带宽优势更为明显，可以在宽频范围内完成对弯曲波的衰减。　　(3)基于局域共振原理的多孔材料双层板结构的声透射性能研究。在人工周期结构的隔声特性研究方面，通常建立的是基于局域共振带隙特性的单层板壳结构，而隔声性能更为突出的双层板壳结构研究模型较少，如何利用局域共振特性增大双层板结构传声损失是本文考虑的问题。根据Biot's理论，本文以多孔材料作为层芯，建立了基于局域共振特性的双层板结构，采用等效介质方法和平面波展开方法分别计算了满足亚波长假设和不满足亚波长假设两种情况下结构的传声损失。结果表明，与普通多孔材料双层板结构相比，局域共振机理的引入不仅提高了结构的低频和宽带隔声能力，还提供了更多的设计空间。　　(4)针对覆盖层结构吸声特性展开的拓扑优化设计。首先结合有限元方法和周期边界条件建立了求解覆盖层吸声系数的数值模型，然后利用拓扑优化方法中的人工密度方法，以粘弹性材料层为设计域，以设计域内各个单元的相对密度为设计变量，以最大化频点和频段吸声能力为目标建立了优化模型并且推导了目标函数关于设计变量的灵敏度信息。数值算例表明拓扑优化构型提高了覆盖层结构的低频和宽带吸声能力。除此之外，对优化构型的吸声机理进行了探讨，发现结构共振使得阻尼材料加剧了对入射声能的耗散，是引起吸声峰值产生的原因。
作者：	李静茹
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	黎胜
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文