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原文传递含点阵增强柱和空腔的复合夹芯板水下声振计算方法及性能研究

论文题名：	含点阵增强柱和空腔的复合夹芯板水下声振计算方法及性能研究
关键词：	潜水船;复合夹芯板;点阵增强柱;空腔结构;声振计算;性能表征
摘要：	现代潜艇工作水深不断增加，耐压型水下复合材料声隐身结构成为研究重点。基于现有成熟应用的泡沫夹芯隔声结构和含空腔声学覆盖层结构，在芯层中布置沿厚度方向的点阵增强柱是改进耐压性能的一种重要措施。新形成的含点阵增强柱和空腔的（Embeddedwithlattice-reinforcement-columnsandcavities，ELRCC）夹芯结构具备较好的耐压性能，但复杂的芯层组成也使得声振研究较复杂。目前相关研究主要集中在含增强构件的空心夹芯结构和含空腔的声学覆盖层结构，对于同时包含增强柱、空腔和固体芯材的ELRCC夹芯结构的水下声振性能的研究较为匮乏，相应的计算方法和参数影响研究工作亟需开展。　　本文以ELRCC复合夹芯板为研究对象，提出了从材料级别、板格级别到加筋板级别的分层递进研究思路，分别从芯层力学均质化、板格水下声振、加筋夹芯板水下声振、加筋板架水下声振试验等方面，开展了较系统的研究，建立了相应的解析和数值计算方法，开展了参数的影响分析，为该结构的实际工程应用提供了参考。　　首先，在材料级别上处理了ELRCC芯层力学均质化问题。建立了多层次均质化等效模型，提出了一种预测多相复合材料等效弹性常数的解析方法，同时根据结构特点建立了细观力学有限元模型，通过对比验证，讨论了解析方法的计算精度和适用范围，结果表明当增强柱与芯材的模量之比、增强柱体积分数、空腔的体积分数较小时，本文的解析方法快速有效。该工作为后文整体结构的声振研究提供了关键技术。　　然后，在板格级别上研究了均质夹芯板格的水下声振计算方法。在四边简支边界条件下，分别建立了基于等效单层板（Equivalentsingle-layerplate，ESL）和分层（Layerwise，LW）理论模型的均质夹芯板格水下声振计算方法，并与有限元耦合边界元方法（FEM/BEM）进行了对比验证；在考虑不同的芯层面板模量比、长厚比、宽厚比等参数下，探讨了两种理论模型方法的优劣和精度，提出了一个具备一般性的无量纲参数来判定ESL理论模型方法的误差，弥补了以往研究中该理论模型适用范围模糊的不足，进而区分了夹芯板格的硬/软夹芯。　　继续在板格级别上，研究了ELRCC夹芯板格的水下声振计算方法及性能。结合前述章节的工作，形成了基于芯层均质化的ESL和LW理论模型计算方法，快速预报了四边简支ELRCC夹芯板格的水下声振性能；采用基于芯层详细建模的FEM/BEM仿真模型验证了方法的正确性，进一步分析了材料和尺寸参数对ELRCC夹芯板格水下声振性能的影响。该工作为后文加筋板的水下声振性能的研究奠定了理论基础。　　接下来递进到加筋板级别，研究了复合材料加筋ELRCC夹芯板的水下声振计算方法。考虑了复合材料一体成型加筋的情况，以四边简支加筋ELRCC夹芯板为研究对象，采用LW理论模型描述夹芯板，Timoshenko梁理论描述加筋，建立了基于芯层均质化的水下声振计算方法，与数值仿真进行了对比，并探讨了加筋参数的影响，结果表明对于弯曲刚度较小的加筋，本文方法精度较高。对于弯曲刚度较大的加筋（如金属加筋），由于分板格作用明显，本文方法的计算精度下降。　　继续在加筋板级别上，研究了金属加筋ELRCC夹芯板架的水下声振计算方法。分别考虑刚性连接和螺栓连接金属加筋的情况，结合芯层均质化和FEM/BEM，建立了FEM/BEM_equivalent方法，通过算例证明了该方法准确有效且效率较高，讨论了螺栓数量和预紧力大小对加筋板架结构水下声振性能的影响。　　最后，本文还开展了金属加筋ELRCC夹芯板架水下声振性能试验研究。制备了一种金属加筋ELRCC夹芯板架试样，其复杂芯层为含点阵增强柱的泡沫，开展水下受迫振动声辐射试验，试验结果与FEM/BEM_equivalent方法预报值一致性较好，验证了本文芯层均质化等效和FEM/BEM计算方法的准确性。
作者：	周志伟
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	陈美霞
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021