輕質板殼結構設計的振動和聲學基礎

輕質板殼結構設計的振動和聲學基礎

图书基本信息
出版时间:2012-1
出版社:科學出版社
作者:盧天健,辛鋒先 著
页数:229
字数:288000
书名:輕質板殼結構設計的振動和聲學基礎
封面图片
輕質板殼結構設計的振動和聲學基礎

内容概要
  輕質板殼結構被廣泛地用作汽車、高速機車、艦船/潛艇及航空航天飛行器等外殼及內部隔艙結構,其聲振耦合特性的研究對降低交通工具艙內外噪聲至關重要。在民用及國防工業領域減振降噪應用需求的牽引下,本書通過理論分析、實驗驗證和數值計算研究了汽車、高速機車、艦船/潛艇及航空航天飛行器中常用典型結構的聲振耦合特性,建立了相對完善可靠的結構聲振耦合特性理論表征體系,分析了關鍵結構參數對結構聲振耦合特性的影響,揭示了彎曲波在結構中的傳播規律及結構的聲輻射/傳聲特性,提出了輕質、高強度、聲輻射小及隔聲性能優良的復雜板殼結構的創新優化設計概念,建立了綜合結構質量、力學剛度和聲振耦合特性的優化設計理論和判據,並結合該領域最新的國內外科研進展進行了系統的概括總結,為典型板殼/板腔結構在我國民用工業及國防工業中的應用奠定了理論基礎、提供了實驗依據及技術支撐。
  本書既可作為高年級大學生和研究生的教材,也可作為相關研究人員和工程師的參考書。
书籍目录
前言
第1章 緒論
1.1 研究背景和依據
1.2 研究思路及研究內容
1.2.1 研究目標及研究思路
1.2.2 研究內容及結構安排
第2章 輕質夾層板殼結構的制備工藝
2.1 蜂窩結構層芯輕質結構
2.2 波紋加筋板層芯輕質結構
2.3 PMI泡沫層芯輕質結構
2.4 復合結構層芯輕質結構
2.5 三維點陣結構層芯輕質結構
第3章 輕質板殼結構振動和聲學性能的研究概況
3.1 聲輻射及傳聲損失定義
3.2 國內外研究進展
3.2.1 單層加筋板殼結構
3.2.2 中間為空腔的雙層板殼結構
3.2.3 層芯為各向同性/異性/黏彈性材料的三明治夾層板
3.2.4 層芯為加筋板的三明治夾層板殼
3.2.5 層芯為多孔泡沫材料或蜂巢結構的三明治夾層板
3.2.6 外部流場作用下板殼結構的聲振耦合性能
3.2.7 輕質板殼結構優化設計及主被動控制
3.3 總結評論
第4章 有限大雙板空腔結構聲振耦合特性的理論與實驗研究
4.1 引言
4.2 簡支雙板空腔結構的聲振耦合特性
4.2.1 簡支聲振耦合理論模型及求解
4.2.2 能量描述
4.2.3 數值結果收斂性檢驗
4.2.4 簡支理論模型驗證
4.2.5 空氣腔厚度的影響
4.2.6 板平面結構尺寸的影響
4.2.7 聲波入射俯仰角及方位角的影響
4.3 固支雙板空腔結構的聲振耦合特性
4.3.1 固支聲振耦合理論模型及求解
4.3.2 傳聲損失定義
4.3.3 固支理論模型驗證
4.3.4 有限大結構與無限大結構的對比
4.3.5 板的厚度對結構傳聲損失的影響
4.3.6 空腔厚度對結構傳聲損失的影響
4.3.7 聲波入射角對結構傳聲損失的影響
4.4 實驗測量研究
4.4.1 傳聲損失實驗測量研究
4.4.2 實驗測量結果與理論模型驗證
4.4.3 簡支和固支邊界條件的關系
4.5 本章小結
第5章 外部流場作用下板殼結構聲振耦合特性的理論研究
5.1 引言
5.2 外部平均流作用下簡支單板的傳聲特性
5.2.1 氣動彈性薄板在外部流體作用下的振動
5.2.2 流固界面上的位移連續性條件
5.2.3 傳聲損失定義
5.2.4 入射聲場中平均流的影響
5.2.5 透射聲場中平均流的影響
5.2.6 入射聲場和透射聲場都存在平均流情況下聲波入射角的影響
5.3 外部平均流作用下無限大雙板結構的傳聲特性
5.3.1 板振動方程
5.3.2 流固耦合條件
5.3.3 傳聲損失定義
5.3.4 無限大板的特征阻抗
5.3.5 傳聲損失曲線上波峰波谷的物理解釋
5.3.6 馬赫數的影響
5.3.7 聲波入射俯仰角的影響
5.3.8 聲波入射方位角的影響
5.3.9 板曲率及艙內壓力的影響
5.4 本章小結
第6章 波紋層芯夾層板結構聲振耦合特性的理論研究
6.1 引言
6.2 波紋層芯夾層板結構的聲振耦合特性
6.2.1 結構振動及傳聲理論模型
6.2.2 理論模型驗證
6.2.3 聲波入射角對夾層板結構聲振耦合特性的影響
6.2.4 層芯結構對夾層板結構隔聲性能的影響
6.2.5 傳聲損失曲線存在波峰波谷的物理機制
6.2.6 綜合力學和聲學性能的結構優化設計
6.3 本章小結
第7章 正交加筋夾層板結構聲振耦合特性的理論研究
7.1 引言
7.2 正交加筋夾層板結構的聲輻射理論
7.2.1 結構振動理論模型
7.2.2 控制方程求解
7.2.3 結構遠場聲輻射
7.2.4 理論模型驗證
7.2.5 加筋板慣性效應的影響
7.2.6 點激振位置的影響
7.2.7 加筋板周期間距的影響
7.3 正交加筋夾層板結構的傳聲理論
7.3.1 結構振動及傳聲的解析公式
7.3.2 聲壓方程和速度連續性條件
7.3.3 虛功原理的應用
7.3.4 總體控制方程
7.3.5 傳聲損失定義
7.3.6 空間諧波級數解收斂性檢驗
7.3.7 理論模型驗證
7.3.8 聲波入射角的影響
7.3.9 加筋板慣性效應的影響
7.3.10 加筋板周期間距的影響
7.3.11 空氣傳聲和結構傳聲的對比
7.4 本章小結
第8章 填充吸聲材料夾層板結構聲振耦合特性的理論研究
8.1 引言
8.2 填充吸聲材料夾層板結構的聲輻射理論
8.2.1 簡諧點力激勵下的結構振動響應
8.2.2 聲壓方程與流固耦合條件
8.2.3 結構遠場聲輻射
8.2.4 數值結果收斂性檢驗
8.2.5 結構流固耦合效應的影響
8.2.6 多孔縴維吸聲材料的影響
8.3 填充吸聲材料夾層板結構的傳聲理論
8.3.1 結構振動和傳聲理論模型
8.3.2 結構周期特性的應用
8.3.3 虛功原理的應用
8.3.4 總體控制方程
8.3.5 理論模型驗證
8.3.6 流固耦合效應對結構傳聲的影響
8.3.7 綜合結構質量、力學剛度和傳聲損失的結構優化設計
8.4 本章小結
第9章 結論與展望
9.1 本書的主要工作與創新
9.2 研究展望
參考文獻
附錄A 方程式(4.69)的具體表達式
附錄B 四種聲學共振模態
附錄C 波紋層芯的等效剛度
附錄D 方程式(7.57)的具體表達式
附錄E 方程式(7.118)的具體表達式
附錄F 方程式(8.25)的具體表達式
附錄G 方程式(8.71)的具體表達式

章节摘录
版權頁:第1章緒論1。1研究背景和依據復雜板殼結構通常是具有質量輕、剛度大、優良的抗沖擊性能及散熱性能等多功能特性的輕質結構,其被廣泛地用作汽車、高速機車、艦船/潛艇及航空航天飛行器的外殼結構等〔1∼5〕。一個典型的例子即為蜂窩三明治夾層板結構在美國F/A18大黃蜂艦載機和F111戰斗轟炸機中的應用〔6〕︰鋁制的蜂窩夾芯通過高溫黏合劑粘接在復合材料(石墨環氧)表皮上被用作飛機的蒙皮,其主要原因在于這種三明治夾層結構的蒙皮具有很高的比剛度和良好的形狀加工性能,可同時滿足輕質和機體強度壽命要求及復雜機身形狀的成型工藝要求。鑒于復雜板殼結構在多個領域有著極為廣泛和重要的應用,其結構振動和聲場耦合問題日益受到人們的重視,其中一個重要方面就是結構聲場的傳入傳出問題,如汽車、高速機車、航空航天飛行器等艙外噪聲透過三明治夾層板外殼結構傳入艙內及潛艇內部發動機噪聲透過三明治夾層板外殼結構傳出艙外〔7〕。高速飛行器(包括導彈、戰斗機及民用運輸機)在飛行過程中,機身與空氣劇烈摩擦形成的湍流邊界層會對機身產生非常強的隨機聲學激勵,而噴氣引擎也會產生巨大的噪聲。這些噪聲透過機身的金屬殼體傳入艙內,如果結構設計不當或沒有采取適當的降噪處理,輕者可使飛行員、客艙服務員迅速感到疲勞,降低注意力,減少乘客的舒適感;重者噪聲足以大到讓飛行器的電子儀表和機械傳動裝置徹底失靈〔8〕。隨著我國大飛機項目的實行,相關的聲學流固耦合問題的動力學研究顯得非常重要,如果解決不好機身外強噪聲的傳入問題,飛機的安全性和舒適性就得不到保證。另外,隨著我國國民經濟的快速發展,鐵路系統迎來了第六次大提速,運行速度在200∼350km/h的動車組已被廣泛應用于載人運輸。與高速飛行器相類似,由于動車組在運行時貼近地面且速度很快,同樣會在車體外產生強烈的湍流邊界層聲學激勵;當機車高速通過隧道時,對氣流的劇烈擾動會產生很強的噪聲,同時有強大的氣流沖擊車身。因此,車體的隔聲性能和抗振性能都非常值得關注與研究。目前,動車組的車體主要采用進口的、層芯為蜂窩結構或波紋結構的三明治夾層板(鋁合金或不袗),其結構振動及聲學性能的理論和實驗研究並不充分。掌握該種三明治夾層板的制備工藝,同時在保證其輕質、高強度、低振動和高隔聲性能的前提下選取合理的結構參數,是實現動車組車體國產化、性能優化及降低成本的重要環節。除了高速飛行器和動車組所涉及的空氣聲學,在水聲領域,潛艇作為動力機械、圓柱殼結構、武器裝備和導航通信等多個復雜系統集成的水下作戰平台,其區別于一般艦艇的顯著特征就是具有高度的隱蔽性,能夠完成一般艦艇所不能完成的特殊作戰。因此,潛艇的應用和發展受到各國海軍的高度關注和重視〔9,10〕。隨著水聲對抗技術的不斷發展,聲吶對水下目標的識別和跟蹤能力大大增強。尤其是我國的海上鄰國日本,作為島國其海軍一貫重視反潛,具有世界一流的反潛能力。如何有效降低潛艇自身聲源的目標強度以提高隱蔽性,已成為我國海軍裝備技術所急需解決的關鍵課題之一。潛艇在水下潛航,其殼體必須具有足夠高的剛度和強度,因此在殼體的軸向和周向布置排列了很多加強筋、肋板,還有很多其他內部結構(如加筋強化的板架、基座等)。相應地,對潛艇的振動和聲學性能的研究實際上主要是針對加筋圓柱殼進行研究。隨著潛艇制造技術的發展,潛艇的外殼已由簡單的單層殼發展為雙層殼(或三明治夾層結構)及多隔艙結構,大大提高了殼體的強度和安全性,但也隨之帶來了結構動力學和聲學性能的變化。如何合理地設計潛艇的外殼,使其具備更好的聲學隱蔽性,是力學和結構聲學領域非常值得關注的課題之一。此外,在日常生活中,鄰近公路和建築施工工地的居民樓的室內噪聲嚴重影響人們的生活環境和質量,已成為社會廣泛關注的環境污染。如何提高建築物的隔聲能力是建築聲學的核心命題。現代建築上廣泛采用的輕質隔牆板由鋼架連接的石膏板或水泥板構成〔11〕,該種隔牆板就是典型的三明治夾層板結構,其隔聲性能的研究有助于對其進行結構聲學方面的優化設計。綜上所述,復雜板殼結構的結構振動及聲輻射/傳聲問題是一個非常重要的前沿研究課題,它不僅涉及國防安全(如飛機、潛艇的隱蔽性),同時也與人們的日常生活息息相關,關系到人類生存環境和居住舒適度,因而受到力學界、聲學界等眾多學者的廣泛關注。在理論和實驗上對這一挑戰性的課題進行持續深入的研究,在不同應用背景下對汽車、高速機車、艦船/潛艇及航空航天飛行器工程中常用的板殼結構的材料選擇和設計提供必要的理論和技術支持,都是極其重要和迫切的。結合本課題組近年來圍繞“超輕多孔結構創新構型的多功能化基礎研究”國家基礎研究計劃項目所開展的一系列工作,本書將介紹各類輕質板殼結構的振動和聲學特性的國內外研究進展、現狀及相關的研究成果。最後,針對目前存在的問題,討論並展望有關輕質材料和結構的結構振動及聲學性能的研究發展趨勢。1。2研究思路及研究內容1。2。1研究目標及研究思路復雜板殼/板腔結構的聲振耦合研究對降低汽車、高速機車、艦船/潛艇及航空航天飛行器等艙內外噪聲至關重要。以往研究集中于簡單板殼結構的振動響應問題,而對復雜板腔結構及二維周期加筋夾層板結構聲振耦合特性方面的研究很少,尤其是對考慮外部流場及聲場共同作用下復雜結構聲振耦合的研究更是鮮見。因此,研究目標如下︰在國家民用工業及國防工業減振降噪重大應用需求的牽引下,針對汽車、高速機車、艦艇/潛艇及航天航空飛行器中常用的復雜板殼/板腔結構的振動與聲學耦合問題開展研究;結合實驗驗證研究建立相對完善的典型板殼/板腔結構的聲振耦合理論表征體系;繼而通過數值計算研究關鍵系統參數對結構聲振耦合特性的影響;並進一步提出綜合結構質量、力學剛度和聲振耦合特性的創新優化設計概念及準則,以關鍵結構參數為優化設計變量對板殼結構進行綜合力學和聲學性能的結構優化設計;為典型板殼/板腔結構在民用工業及國防工業中的應用奠定理論基礎、提供實驗依據及技術支撐。針對這一研究目標,研究內容將采取如圖1。1所示的研究思路展開,具體如下︰(1)首先開展理論研究,從基本的物理本質出發建立發展相應系統的聲振耦合特性理論模型︰ヾ雙板空腔結構聲振耦合特性理論模型;ゝ外部流場作用下板殼結構聲振耦合特性理論模型;ゞ波紋層芯夾層板結構聲振耦合特性理論模型;々正交加筋夾層板結構聲振耦合特性理論模型;ぁ填充吸聲材料夾層板結構聲振耦合特性理論模型。通過以上理論研究工作構建相對完善的結構聲振耦合特性理論表征體系,為後續的機理分析和優化設計奠定理論基礎。(2)對以上建立的理論模型開展實驗驗證研究,以證實理論模型的準確性和合理性︰ヾ實際開展簡支邊界和固支邊界條件下雙板空腔結構傳聲特性的實驗測量研究;ゝ將簡化波紋層芯夾層板結構聲振耦合特性理論模型與現有理論及實驗結果進行對比驗證;ゞ將簡化正交加筋夾層板結構聲振耦合特性理論模型與現有理論及實驗結果進行對比驗證。通過以上典型的實驗驗證研究,論證所建聲振耦合理論體系的可靠性和適用性。(3)在理論研究及實驗驗證研究的基礎上,通過數值計算分析揭示結構頻散特性及聲振耦合特性的物理機理,表征關鍵系統參數對結構聲振耦合特性的影響,探究影響結構聲輻射/傳聲性能的關鍵因素,基于基本的物理原理推導預測相關聲學現象的閉合計算公式,並有針對性地探索相學問題,為後續的結構優化設計奠定機理分析基礎。(4)對板殼結構提出綜合考量結構質量、力學剛度和聲振耦合特性的創新優化設計概念及準則,以關鍵結構參數為優化設計變量對板殼結構進行綜合力學和聲學性能優化設計方面的探索。通過以上工作來達到為板殼結構在減振降噪工程中的應用奠定理論基礎、提供實驗依據及技術支撐的目標。
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评论与打分
  •     不過比較專業,還沒有細看
  •     恩,很難懂啊,我就覺得這類的專著對口面太窄了,。沒有聲學基礎的人看這個會很吃力。
  •     書的質量很高,不愧為名家之作。。不過比較專業,沒有背景知識不容易看懂。
  •     有前沿性的書,易懂。