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原文传递水下多层复合板壳结构声振建模及特性研究

论文题名：	水下多层复合板壳结构声振建模及特性研究
关键词：	水下航行器;多层复合板壳结构;声振特性;流体加载效应
摘要：	随着现代船舶工业的发展和舰船减振降噪技术要求的不断提高，具有轻质、强度高、优良的减振降噪性能、可设计性强等优点的多层复合结构逐渐在水面舰船和水下航行器的设计中得到广泛应用，研究其水下振动和声辐射问题对于实现新型舰船和潜艇的声隐身设计具有重要意义。水下多层复合结构的声振特性与空气中有很大不同，主要因为水是重流体，流体加载效应对结构的声振特性影响较大，而且复合结构水下声振特性问题的研究涉及到声学、材料力学以及数学等多个学科的理论，这给多层复合结构的水下声振耦合建模带来了不小的挑战。本文以多层复合板壳结构在水下航行器设计应用中的振动和声辐射为背景，围绕多层复合板壳结构声振耦合模型建立、声振特性参数分析等方面开展了一系列的研究工作: 　　(1)针对目前关于多层复合阻尼板结构振动和声辐射问题分析中存在的建模精度不高和复杂边界适应性不强等问题，基于一阶剪切变形理论和锯齿叠层层合理论，对复合板结构各层的位移函数进行分别描述，同时将夹芯阻尼层的位移函数表示为基层和约束层位移函数的线性组合，并引入边界弹簧罚因子实现了复合阻尼板结构复杂边界条件的模拟，选取基于改进的傅里叶谱函数来构造位移容许函数，结合Rayleigh积分方程考虑外部流体与复合阻尼板结构之间的强耦合关系，通过能量变分原理建立了适用于复杂边界条件的水下多层复合阻尼板结构声振耦合分析的统一模型。数值算例对比验证了本文所建立模型的准确性有效性，并分析了流体介质、边界条件、芯层阻尼参数及面板层参数等对复合阻尼板结构振动及声辐射特性的影响规律。　　(2)针对沉浸在无限大流体域中的轴对称多层复合壳体结构的外部声辐射问题，借鉴谱边界元的思想，对传统边界元方法进行了修正改进，发展形成了一种基于多层复合壳体结构表面完整区域的广义谱-配点边界元法，该方法能够有效解决声压做功中法向位移变量和声压变量的单元匹配问题，并建立了适用于任意边界条件的水下多层复合壳体结构声振耦合分析模型。首先基于广义谱方法和一阶剪切变形层合壳体理论，引入罚因子对复杂边界进行参数化描述，推导了满足任意边界条件下多层复合壳体结构的振动微分方程;考虑轴对称多层复合壳体结构的外部声辐射问题，将Helmholtz积分方程转化为边界积分方程，采用本文方法对边界积分方程的相关变量进行高阶谱函数多项式展开，得到了不依赖单元划分的声场方程，并借鉴位移容许函数的处理形式，在柱坐标中将声学变量和Green函数等采用周向傅里叶级数形式和轴向切比雪夫多项式形式进行展开，实现了声学问题的求解降维，得到了基于Helmholtz边界积分方程的多层复合壳体结构一维形式声场求解方程;采用椭圆积分和CHIEF点方法实现了对奇异积分和特征频率解的非唯一性问题的处理，并考虑壳体结构外部声场在无穷远处需满足Sommerfeld远场辐射条件和外部流体加载效应，基于能量变分原理建立了满足任意边界条件的水下多层复合壳体结构声振耦合分析模型，并从数值对比角度验证了本文方法的准确有效性。　　(3)采用本文建立的基于结构表面完整区域的广义谱-配点边界元法开展水下多层复合壳体结构固有振动特性研究，在此基础上，进一步分析了水下多层复合壳体结构在外部简谐激励作用下的振动声辐射响应特性，重点讨论了边界条件、材料参数、铺层方案、激励位置、功能梯度指数、材料孔隙分布等参数对水下多层复合壳体结构声振特性的影响机理。　　(4)将本文方法推广应用至水下组合壳体结构振动声辐射问题的求解，建立了适用于水下多层复合组合壳体结构的声振预报分析模型。结合水下航行器的外形特征，以锥-柱-球组合壳体结构和球-柱-球组合壳体结构为研究对象，根据组合壳体结构组成特点将其分解为多个子结构，并引入耦合弹簧罚因子对子结构之间耦合边界进行了参数化描述，同时基于能量原理，考虑流体与结构之间的耦合作用，构造了组合壳体结构声振能量泛函，建立了水下多层复合组合壳体结构的声振耦合统一方程，通过数值算例与文献结果及数值软件结果对比，验证了本文方法用于分析水下多层复合组合壳体结构声振特性的准确有效性。在此基础上，开展了水下多层复合组合壳体结构声振特性研究，深入分析了结构几何参数、材料铺层、激励力、功能梯度指数及孔隙分布对组合壳体结构振声响应特性的影响规律，为水下多层复合组合壳体结构的声学设计提供方法参考和数据支撑。
作者：	张艳涛
专业：	轮机工程
导师：	靳国永
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021