腹板式航天器结构减振降噪的优化设计研究

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1、腹板式航天器结构减振降噪的优化设计研究宋敏（西安航空技术高等专科学校，西安710077）摘要:针对腹板式航天器在轨运行过程中的结构减振降噪问题，利用FEM/IBEM法，提出了一种基于模态贡献度对流固耦合系统进行减振降噪的结构优化设计方法。先采用分块兰索斯法求解结构前20阶自由模态，获得固有振型。再利用间接边界元法，对姿控发动机激励下的整体结构进行模态贡献度分析，确定了对某灵敏仪器所处位置声学贡献最大的面板，以该面板为优化设计对象，一阶固有频率最大化为目标函数进行频率响应拓扑优化和形貌优化。优化结果表明，耦合系统在姿控发动机激励下，敏感仪器所处位置的峰值声压最大下降了21.

2、27dB，总体质量减轻了6.83kg，获得了比较理想的减振降噪效果。关键词:减振降噪；拓扑优化；形貌优化；有限元/间接边界元中图分类号：TB532文献标识码：AResearchondesignmethodfornoiseandvibrationreductioninventralplatespacecraftstructureSONGMin(Xi’anAerotechnicalInstitute,Xi’an,710077,P.R.China)Abstract：Tosolvetheproblemthatnoiseandvibrationreductionofventralp

3、latespacecraftstructureinorbit,astructureoptimaldesignmethodbasedonFEM/IBEMforfluid-solidcouplingsystemwasproposed.Thefront20ordersfreemodalofobjectwassolvedbyBlock-Lanczos,andthenmakesmodalcontributionanalysisforoverallstructureunderattitudecontrolenginewithindirectboundaryelementmethod,

4、andfinallyascertainpanelwhichmadethegreatestacousticscontributionforpositionofsensitiveinstrument.Thispanelisobjectofoptimaldesign,topologyoptimizationandshapeoptimizationwereperformedtomaximizethelowestfrequency,optimizationresultsshowthatthemaximumpeaksoundpressureofsensitiveinstrumentd

5、ropped21.27dBandoverallqualityreduced6.83kg,itgettheidealeffectsofvibrationandnoisereduction.Keywords:vibrationandnoisereduction,topologyoptimization,morphologyoptimization,FEM/IBEM随着科学技术的发展，现代航天器结构日趋复杂多样，为了满足多任务的需求，需安装多种敏感仪器，所挂装的有效载荷数量及重量也越来越大。腹板式航天器结构就是在载荷挂装面板上布置筋条的结构，其适用于大尺寸结构设计，具有灵活修改

6、筋条布置位置、筋条截面形式、安装角度、承载能力高的优点，可同时满足不同有效载荷挂装而被广泛应用。与此同时，在满足结构设计和航天任务要求的前提下，各面板产生的声振环境对航天器上敏感仪器的影响也备受关注。目前分析结构振动噪声的方法主要有：有限元法/边界元法[1]、边界元灵敏度法[2]、有限元模态叠加法[3]、统计能量法[4]、导纳功率流[5]以及上述各方法交叉结合的分析方法[6][7]等。与有限元和边界元相关的方法只适用于中低频段；统计能量法适用于高频但相关统计参数很难准确确定；导纳功率流法能很好反映结构间能量分配和功率流传输特性，但对复杂结构例如航天器结构整体，计算量相对较

7、大，离工程应用尚有距离。本文针对腹板式航天器结构在轨运行过程中的中低频减振降噪问题，借助间接边界元法对频域问题计算快速的特点，利用有限元/间接边界元法，提出了一种基于模态贡献度分析结构振动噪声的优化设计方法。通过有限元模态分析获得固有特性，利用间接边界元法进行模态贡献度分析，以对声学贡献最大的面板为优化对象，分别进行拓扑优化和形貌优化。1、基本理论1.1流固耦合系统的有限元方程航天器结构内部构成封闭的空腔，形成一个声学系统，结构振动会对内部空腔产生压迫改变空腔声压，受到扰动的空气对结构同样产生附加力，因此，需要同时计算结构动力