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含弹性连接和夹层水的双梁结构的振动传递与控制研究

作　者: 李增
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: 模态分析流固耦合半无限双层板双梁结构自适应控制
分类号: O327
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

结构振动和声辐射问题是水下结构物研究的一个重要组成部分,在过去的几十年中,多数研究致力于两大类问题,即结构振动和声辐射的机理和控制方法。机理研究主要讨论梁、板、圆柱壳体与流体耦合的系统的振动和声学特性,而振动与声辐射控制则讨论被动与主动控制的原理与实现。论文在现有研究的基础上,以当前声隐身研究中的双层充水壳体结构的振动控制为背景,讨论其中的基本问题,揭示部分物理现象。论文从半无限双层板结构的振动模型出发,将问题简化为含弹性连接和夹层水的双梁结构的振动分析与控制,基于Euler-Bernoulli梁理论,采用模态分析方法研究了多种情形下双梁系统的振动特性,讨论夹层水、弹性连接等对振动特性的影响,并对振动控制进行仿真计算与实验,得到一些新的结果。论文的主要研究包括:(1)首先将半无限板模型简化为有限梁模型,在梁的自由振动及受迫振动方程的基础上,分析了带弹簧连接的简支双梁系统的耦合振动。采用模态分析方法,求解耦合系统的固有频率和频响函数,并通过有限元软件ABAQUS对解析法的结果进行验证,结果表明两者非常吻合。对于双梁中点有弹簧连接的情形,计算结果表明,当弹簧刚度较小时,弹簧对系统的共振频率几乎没有影响;当弹簧刚度增大到一定程度时,双梁反相振动模态对应的固有频率随着连接弹簧刚度的增大而增大,而对其它振动模态的固有频率没有影响。(2)从流体域的波动方程出发,结合梁的横向振动控制方程和相关边界条件,按梁对称和反对称模态讨论了含夹层水的双梁系统的耦合振动。在建模中,对称模态和反对称模态分别采用余弦级数和正弦级数展开,并根据线性叠加原理获得耦合系统的频域响应函数。采用有限元软件ABAQUS,对计算得到的结构受单点激励时的频响函数、固有频率、梁的模态振型以及共振状态下流体域中的声压分布进行验证,结果表明两者非常吻合。计算结果还表明,同相模态对应的固有频率随夹层水厚度的增大而减小,而反相模态正好相反;当夹层水的厚度越接近于梁的长度,变化的幅度就越小。(3)在上述分析的基础上,论文采用模态分析方法进一步研究了含夹层水且有弹簧连接的双梁系统的振动特性。计算结果表明,对于双梁中点有弹簧连接的情形,弹簧仅影响对称反相模态,而且弹簧刚度越大,对应的固有频率会升高;夹层水厚度对不同模态有着不同的影响,对于反对称模态,同相振动的频率随着夹层水厚度的增大而升高,反相振动的频率随间距的增高而降低,而对于对称模态,情形则正好相反;各种模态对应的共振频率的变化幅度随着夹层水厚度趋近于梁的长度而减小;夹层水的存在使耦合系统的固有频率降低。(4)在建模的基础上,采用基于LMS的自适应方法对含夹层水和弹簧连接的双梁系统的振动传递进行主动控制。仿真结果表明,LMS方法可以用来减小指定梁的振动,而且使流体域中的声压分布也会发生相应变化;在中间连接位置进行控制时,同相对称模态比反相对称模态更难以控制。(5)建立了有限双层板的实验模型,通过实验模型的振动测试与控制,得到了层间流体和连接对振动传递的影响规律,以及主动控制下的振动特征。实验结果表明,层间流体的存在使双层板的固有频率降低,板间耦合加强;自适应方法可以应用于充液双层板系统的振动传递控制。实验较好地验证了前述理论分析的结果。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-11
目录  11-14
第一章绪论  14-26
  1.1 研究的背景与意义  14
  1.2 流固耦合振动与声辐射的研究概况  14-19
    1.2.1 梁-水耦合结构振动的研究概况  15
    1.2.2 板-水耦合结构振动的研究现状  15-17
    1.2.3 圆柱壳-水耦合结构振动的研究现状  17-19
  1.3 结构振动和声辐射的研究方法  19-21
    1.3.1 解析法  19-20
    1.3.2 数值计算方法  20-21
  1.4 振动控制  21-24
    1.4.1 主动控制的基本方法及控制策略  22-24
  1.5 论文主要研究内容  24-26
第二章弹性连接的简支双梁结构的振动特性分析  26-37
  2.1 引言  26
  2.2 薄板横向振动的微分方程  26-29
  2.3 简支梁的自由振动及其受迫振动响应  29-31
  2.4 弹簧连接的双梁系统的受迫响应分析  31-33
  2.5 数值分析与讨论  33-36
    2.5.1 计算比较  33-34
    2.5.2 频响函数  34
    2.5.3 弹性刚度对振动频率的影响  34-36
  2.6 本章小结  36-37
第三章含夹层水的双梁结构的水弹性分析  37-54
  3.1 引言  37
  3.2 数学物理模型  37-40
  3.3 耦合系统的振动响应分析  40-44
  3.4 数值计算与讨论  44-53
    3.4.1 系统频响函数及固有频率  44-45
    3.4.2 系统模态振型  45-48
    3.4.3 流场中声压分布  48-52
    3.4.4 夹层水厚度对系统振动频率的影响  52-53
  3.5 本章小结  53-54
第四章含夹层水和单点弹簧连接的双梁结构的水弹性分析  54-70
  4.1 引言  54
  4.2 数学物理模型  54-56
  4.3 耦合系统的振动响应分析  56-60
  4.4 数值算例与讨论  60-69
    4.4.1 系统频响函数及固有频率  60-61
    4.4.2 系统模态振型  61-63
    4.4.3 流场中声压分布  63-65
    4.4.4 弹性刚度对系统振动频率的影响  65-66
    4.4.5 夹层水厚度对系统振动频率的影响  66-67
    4.4.6 综合比较  67-69
  4.5 本章小结  69-70
第五章含夹层水和弹簧连接的双梁结构的振动传递控制  70-78
  5.1 引言  70
  5.2 基本LMS 算法和归一化LMS 算法  70-72
  5.3 脉冲响应与自适应控制  72-74
  5.4 数值分析与讨论  74-77
    5.4.1 控制仿真分析  74-75
    5.4.2 控制力大小  75-77
    5.4.3 流场中声压分布变化  77
  5.5 本章小结  77-78
第六章振动传递控制的实验研究  78-85
  6.1 引言  78
  6.2 实验系统及硬件介绍  78-80
  6.3 实验系统模态测试  80
  6.4 系统频响特性测试  80-83
    6.4.1 箱体充水前测试结果  81-82
    6.4.2 箱体充水后测试结果  82-83
  6.5 自适应控制  83-84
  6.6 本章小结  84-85
第七章全文总结  85-87
  7.1 全文总结  85-86
  7.2 主要创新  86
  7.3 研究展望  86-87
参考文献  87-94
致谢  94-95
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  95-97

含弹性连接和夹层水的双梁结构的振动传递与控制研究

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