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《哈尔滨工程大学》 2018年
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舰船典型板架结构弹性波动力学特性研究

汤冬  
【摘要】:船体结构是机械设备振动转化为水下辐射噪声的主要途径,其动力特性是影响舰船水下声辐射特性的关键因素。机械设备激励通过基座传递到船体板架结构,引起船体板架结构的振动响应,并以弹性波的形式在船体板架结构中沿船长方向,船宽方向和型深方向传播,这本质上是一个波动力学问题。机械设备引起的动力响应在船体结构中的传递和衰减规律一直以来都是舰船减振降噪领域关心的热点问题,研究舰船结构动力响应的传递和衰减特性对舰船结构动力性能评估与优化设计具有重要意义。舰船是由肋板、舷侧肋骨和甲板横梁等形成的横向框架,甲板、舱壁、舷侧外板和双层底等形成的空间板架,以及底部、舷侧和甲板纵桁等纵向框架构成的复杂空间板架结构,其中梁和平板是舰船复杂空间板架结构的基本结构构件。针对梁和平板等舰船典型板架结构基本单元,本文介绍了Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁理论以及Kirchhoff薄板和Mindlin中厚板理论,给出了这两种梁理论波动解的矩阵表达形式,推导了Kirchhoff薄板和Mindlin中厚板理论的波动解,为建立基于回传射线矩阵法的舰船典型板架结构波动特性计算方法奠定了理论基础。根据梁和平板结构动力学方程求解过程中的波数特征方程,本文分析了弹性基础Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁以及无限大平板的波数频谱特性。同时,在求解平板动力学方程波动解的过程中,讨论了经典边界条件和弹性支撑边界条件下Kirchhoff薄板的波数特征曲线。此外,本文还介绍了舰船典型板架结构在密正交加肋、筋弱板强情况下的等效模型——正交各向异性平板的动力学方程及其波动解,并分析了其波数频谱特性。在舰船结构设计中,无论是整船体横向框架结构沿船长方向上的分布,还是局部板架结构纵横加强构件的布置,都具有明显的周期性特征。根据周期结构的Bloch理论,结合回传射线矩阵法分析结构动力学问题的基本思想,本文分别建立了针对舰船典型板架结构的周期变截面梁/平板模型,周期振子耦合梁/周期加筋平板模型以及双周期振子耦合梁/双周期加筋平板模型的波数频谱特性计算方法。在上述梁单元基本理论与周期结构波数频谱特性计算方法的基础上,本文开展了基于周期梁模型的舰船典型板架结构波数频谱特性研究。首先利用等截面梁模型的解析计算结果验证了回传射线矩阵法分析周期梁模型波数频谱特性的有效性。在此基础上,本文揭示了周期变截面梁、周期振子耦合梁和双周期振子耦合梁中弯曲波的传递和衰减特性。然后,本文讨论了材料和几何参数对周期变截面梁弯曲波传递和衰减特性的影响;弹簧振子与梁的耦合形式、振子质量和转动惯量,弹簧拉压刚度和扭转刚度等因素对周期振子耦合梁中弯曲波传递和衰减特性的影响;两组周期弹簧振子对应的振子质量和转动惯量,弹簧拉压刚度和扭转刚度等参数比例关系对双周期振子耦合梁中弯曲波传递和衰减特性的影响。此外,针对舰船典型结构有限周期特征与模型无限周期特征之间的差异,分析了空间周期延拓对舰船典型板架结构弹性波动力学特性的影响。同时,在上述平板单元基本理论与周期结构波数频谱特性计算方法的基础上,本文开展了基于周期平板模型的舰船典型板架结构波数频谱特性研究。首先利用等截面均匀平板模型的解析计算结果验证了回传射线矩阵法分析周期平板模型波数频谱特性的有效性。在此基础上,本文揭示了周期变截面有限宽平板、周期单向加筋平板和双周期单向加筋平板面内波(纵波和剪切波)和面外波(弯曲波和弯曲近场响应)的传递和衰减特性。然后,本文讨论了面内刚度对周期变截面平板面内波传递和衰减特性的影响;面外刚度和平板厚度对周期变截面平板面外波传递和衰减特性的影响;加强筋高度和宽度对周期单向加筋平板面内波和面外波传递和衰减特性的影响以及两组加强筋的高度和宽度等参数比对双周期单向加筋平板面外波传递和衰减特性的影响。在上述理论与数值研究的基础上,本文开展了舰船典型板架结构弹性波动力学特性验证试验研究。首先简单地介绍了舰船典型板架结构的试验模型,然后讨论了舰船板架结构与周期振子耦合梁模型之间的等效性问题,初步形成了舰船板架结构与周期振子耦合梁模型之间的等效原则和等效方法,继而对板架结构等效化的周期振子耦合梁模型中弯曲波的传递和衰减特性进行了计算和分析,通过与试验测试得到的板架结构加速度导纳曲线进行对比,验证了本文建立的舰船典型结构波动特性计算方法的有效性和合理性。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:U674.7

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