粘弹性复合材料结构水中振动和声辐射特性研究

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1、上海交通大学博士学位论文粘弹性复合材料结构水中振动和声辐射特性研究姓名：王旌生申请学位级别：博士专业：船舶与海洋结构物设计制造指导教师：吴有生20070101摘要目前，国际上对复合材料结构的强度、稳定性、疲劳等问题以及加工工艺、粘按技术等的研究已经非常深入，并在船舶结构上进行了应用。在船舶与海洋工程领域，国内对复合材料各方面的研究还不够深入，与国际先进水平还有一定的差距；复合材料在船舶与海洋结构上的应用方面更是相当薄弱。因此，开展复合材料结构在船舶与海洋工程领域应用方面的研究具有非常重要的理论和实际意义。由于水中结构振动与声辐射研究内容的敏感

2、性，从国内外搜集的文献资料来看，关于复合材料结构水中振动和声辐射方面的研究资料非常少见，尤其很难找到关于复合材料结构声辐射方面公开发表的研究资料。从工程应用角度来看，复合材料结构声辐射的特性是需要进一步深化认识的，因此对复合材料结构声辐射特性方面的研究是非常值得开展的。由于水中结构振动与声辐射研究内容的敏感性，从国内外搜集的文献资料来看，关于复合材料结构水中振动和声辐射方面的研究资料非常少见。从工程应用角度来看，复合材料结构声辐射的特性是需要进一步深化认识的，因此对复合材料结构声辐射特性方面的研究是非常值得开展的。本文的目的在于通过对复合材料

3、结构在水中振动和声辐射特性的研究，探讨复合材料结构水中振动和声辐射的特征与机理，寻求有效的数值计算方法，研究复合材料自身具有的各向异性和粘弹性特性对水中结构振动和声辐射的影响，从隔声方面探索复合材料结构在新型舰船上的应用前景。这不仅在理论上是对复合材料结构动力学的丰富，为复合材料结构的声学设计提供合适的计算方法及理论依据，并且为包括航空航天、石油化工等在内的军用和民用工程领域中复合材料结构的声学设计工作同样具有重要的指导意义。由于国内外这方面研究内容的缺乏，本文丌展的复合材料结构水中振动和声辐射方面的研究，无论从理论上还是工程应用角度，论文的

4、选题都具有很强的创新性。本论文采用结构有限元法和声学边界元法，对水中复合材料结构的振动和声学特性进行了研究。分析在典型应用条件下，复合材料板或壳体结构受机械激励与流场声激励时水中声辐射的特性及复合材料各向异性和粘弹性阻尼特性对结构振动与声学特性的影响。为复合材料结构的声学设计提供相应的数值计算方法和理论依据。从振动和声辐射方面探索复合材料结构在舰船上的应用前景。首先，本文全面回顾了各向异性粘弹性复合材料和复合材料夹层板结构的动态特性以及水中结构声辐射的研究现状，比较了各种数值方法的优缺点，对目前的研究热点和研究趋势作了全面的总结。板是工程中重

5、要的结构形式之一，早期的板单元大多基于经典的薄板理论，这r海交通大学博L学位论文种理论没有计及板的横向剪切变形，采用这一理论分析板结构的高阶振动时频率偏高。由于实际应用的复合材料层合结构其厚度较大，而横向剪切刚度较小，因此采用经典薄板理论来分析复合材料板壳结构振动问题显得不足。本文基于一阶剪切理论(FSDT)，构造了适用于任意铺设情形的四边形和三角形复合材料层合板壳单元，用以分析复合材料结构和的振动问题。采用复模量来分析复合材料的粘弹性阻尼特性。由于FSDT单元的挠度和转角独立插值，当分析薄板时会出现严重的剪切闭锁问题，使解答不准确。本文从无

6、剪切闭锁的Timoshcnko层合厚梁理论出发，根据厚梁位移确定单元边界的剪应变，再确定单元的增补位移场(由于剪切变形所引起的附加位移场)，并将增补位移场叠加到薄板位移场中去，以此构造厚板单元。当厚板趋于薄板时，增补位移场自动趋于零(由Timoshenko梁函数控制)，单元自动退化为原来的薄板单元，从而从根本上避免了FSDT板单元当板厚变小时的剪切闭锁问题。以往的央层板理论大多仅考虑了芯层材料的横向剪切应变和应力，而很少考虑芯层的横向正应变和J下应力。夹层板的芯层与面板相比，其厚度要大很多，而其弹性模量则要小很多，很容易产生横向压缩或拉伸变形

7、。因此忽略芯层横向正应力和正应变的夹层板理论是不太合理的。同时，对于夹层板结构，结构在低频时主要以弯曲振动的形式向外辐射噪声，当结构受到高频激励时，结构会以压缩波的形式向外辐射噪声。以往的夹层板理论由于忽略了芯层的横向正应变，将不能体现结构的横向振动模式，这与实际结构是不相符合的。为了消除这一不足，本文构造了一个复合材料夹层板单元，该单元的面板和芯层均为粘弹性材料，夹层板的上下面板采用上述的FSDT单元以及层合板理论进行分析；假定芯层的位移沿厚度方向线性变化，并用上下面板的自由度表示，最终形成以上下面板自由度表示的系统总的运动方程。该单元可以

8、体现夹层结构的横向压缩变形。数值计算结果表明：无论对于静力问题、动力问题还是声辐射等问题，考虑芯层的横向压缩变形是合理的，也是有必要的。边界元法是声学计算的有效的数