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周期结构浮笩设计及隔振性能研究

作　者: 况成玉
导　师: 张志谊
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 周期结构桁架结构曲梁浮筏隔振系统频响函数综合波导有限元
分类号: U661.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 127次
引　用: 5次
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内容摘要

浮筏作为连接动力设备和船体结构的重要通道,其动力学特性对船体振动与辐射噪声有至关重要的影响。振源设备、浮筏与船体结构构成一个弹性耦合系统,设计不良的浮筏对振源激励的隔离可能失效,甚至使船体结构的振动与声辐射加强,这对于船舶噪声控制,特别是潜艇声隐身和安全性将会产生不利影响。因此,研究设计高效隔振浮筏具有重要的现实意义。本文结合“973”重大安全基础研究项目,在总结前人研究成果的基础上,借鉴周期结构的相关理论,采用数值仿真分析和实验研究相结合的方法,开展了新型周期浮筏的设计、分析和实验研究。论文的主要内容包括:第一章介绍了研究背景和意义、周期结构以及浮筏研究的国内外现状,并给出论文的研究内容。第二章对周期结构的振动特性和计算方法进行了详细的介绍和讨论。首先介绍了周期结构的两种计算方法,即波导有限元法和子结构迭代综合法,在此基础上研究了几种简单周期结构的传播波特性、受迫振动以及带隙特性,并与解析解和有限元分析结果进行比较,验证了方法的有效性。这部分研究内容是为周期结构浮筏的设计计算寻找合适的方法。第三章对周期结构的带隙特性进行了分析与验证,并提出新型浮筏的设计。首先根据周期结构浮筏的可能实现型式,提出了曲梁和桁架两种结构实现方案,运用有限元法计算其动力学特性,并通过实验初步验证了曲梁和桁架结构所具有的带隙特性。在此基础上,设计了曲梁浮筏和桁架浮筏,借助商用有限元软件研究了两种浮笩的振动传递特性,并初步研究了桁架浮筏性能优化问题。仿真结果表明:曲梁和桁架浮筏具有良好的带隙特性,可以用于实际的浮筏结构,而且桁架浮筏可以通过调节节点质量来优化结构的隔振性能。第四章运用频响函数综合法研究了桁架浮筏系统的振动传递特性。本章首先运用该方法分析了传统浮筏隔振系统的动力学特性,并将其与有限元法进行比较,验证了方法的有效性,然后利用频响函数综合法研究了桁架浮筏系统的振动传递特性,并与传统浮筏系统的仿真结果进行比较,结果表明周期结构桁架具有良好的高频减振特性,桁架浮筏系统的隔振效果要好于传统浮筏。第五章运用实验方法研究了浮筏隔振系统的隔振性能,首先建立了桁架浮筏隔振系统的实验模型,通过实验测试验证了周期桁架浮筏良好的高频减振特性,并与传统浮筏的隔振测试结果进行对比,结果表明桁架浮筏系统具有更加良好的宽频减振性能。第六章对论文工作进行了总结,并指出了需要进一步深入研究的问题。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-23
  1.1 研究的背景与意义  12-13
  1.2 浮筏以及周期结构研究概况  13-16
    1.2.1 高效浮筏研究概况  13-15
    1.2.2 周期结构研究概况  15-16
  1.3 周期结构的研究方法  16-19
    1.3.1 传递矩阵法  17
    1.3.2 平面波展开法  17
    1.3.3 集中质量法  17
    1.3.4 有限元方法  17-18
    1.3.5 统计能量法  18
    1.3.6 谱有限元法  18-19
    1.3.7 波导有限元法  19
  1.4 浮筏隔振系统建模方法  19-21
    1.4.1 多刚体法  19-20
    1.4.2 四端参数法  20
    1.4.3 模态综合法  20
    1.4.4 阻抗/导纳综合法  20-21
    1.4.5 频响函数综合法  21
  1.5 论文主要研究内容  21-23
第二章周期结构算法研究  23-43
  2.1 引言  23
  2.2 波导有限元法  23-31
    2.2.1 基本原理  23-27
    2.2.2 特征值问题的求解  27-28
    2.2.3 能量、能量密度、功率和群速  28
    2.2.4 强迫响应的计算  28-30
    2.2.5 周期结构带隙特征  30-31
    2.2.6 周期结构固有频率  31
  2.3 子结构迭代综合法  31-35
    2.3.1 周期元胞讨论  32-33
    2.3.2 相邻周期之间的界面自由度综合  33-34
    2.3.3 周期结构频响函数计算应用  34-35
  2.4 数值算例及讨论  35-41
    2.4.1 数值算例—悬臂梁  35-37
    2.4.2 数值算例—四边简支板  37-38
    2.4.3 数值算例—加筋板  38-41
  2.5 本章小结  41-43
第三章周期结构浮筏设计及带隙特性研究  43-62
  3.1 引言  43
  3.2 周期结构特性仿真与实验研究  43-46
    3.2.1 曲梁周期结构  43-45
    3.2.2 桁架周期结构  45-46
  3.3 周期浮筏结构设计及动力特性研究  46-58
    3.3.1 传统浮筏结构  46-48
    3.3.2 曲梁浮筏结构  48-52
    3.3.3 桁架浮筏结构  52-57
    3.3.4 手性结构浮筏  57-58
  3.4 桁架浮筏参数调整与动力优化的初步研究  58-61
  3.5 本章小结  61-62
第四章频响函数综合法在周期浮筏系统中的应用  62-75
  4.1 引言  62
  4.2 基于频响函数的子结构综合法  62-69
    4.2.1 考虑弹性连接点的频响函数综合法  62-64
    4.2.2 耦合系统频响函数推导  64-65
    4.2.3 弹性体子结构建模  65-67
    4.2.4 刚体建模  67-68
    4.2.5 减振器的阻抗矩阵  68-69
    4.2.6 响应求解  69
  4.3 基于频响函数综合法的浮筏系统数值仿真与验证  69-72
    4.3.1 模型介绍  69-71
    4.3.2 数值仿真及验证  71-72
  4.4 桁架浮筏系统隔振性能研究  72-74
  4.5 本章小结  74-75
第五章浮筏系统隔振性能实验研究  75-84
  5.1 引言  75
  5.2 振动测试理论介绍  75-76
    5.2.1 振动测试及测试内容  75
    5.2.2 振动测试的仪器设备  75-76
  5.3 周期桁架结构振动传递特性实验验证  76-78
    5.3.1 实验测试系统及硬件介绍  76-77
    5.3.2 测试过程及结果  77-78
  5.4 桁架浮筏及传统浮筏系统振动传递特性实验比较  78-83
    5.4.1 实验测试系统及硬件介绍  78-79
    5.4.2 测试过程及结果  79-83
  5.5 本章小结  83-84
第六章总结和展望  84-86
  6.1 全文总结  84-85
  6.2 主要创新  85
  6.3 研究展望  85-86
参考文献  86-93
致谢  93-94
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  94

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