內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、噪聲控制技術(shù)是工程界普遍關(guān)心的問(wèn)題。目前，對(duì)于空腔內(nèi)噪聲的研究越來(lái)越受到重視，例如汽車(chē)、輪船、飛機(jī)等乘坐室，由于空腔形狀的復(fù)雜性，用傳統(tǒng)的理論方法很難取得滿(mǎn)意的結(jié)果，目前主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和各種數(shù)值方法的研究來(lái)控制噪聲。本文通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)空腔噪聲進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，可實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段對(duì)乘坐室等腔內(nèi)噪聲響應(yīng)的理論分析、預(yù)測(cè)及優(yōu)化設(shè)計(jì)。 本文在論述了內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)數(shù)值方法的歷史及其現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，給出了內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的有限元方

2、程和合理高效的求解算法，進(jìn)一步提出了尺寸、形狀、拓?fù)淙齻€(gè)層次的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，詳細(xì)推導(dǎo)了靈敏度分析公式，給出了優(yōu)化求解方法。特別是在隨機(jī)激勵(lì)下內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的求解方法、靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)方面做了深入研究和有益的探討。 本文的工作是結(jié)合大型結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化軟件JIFEX的現(xiàn)有方法和功能，進(jìn)一步發(fā)展了內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的動(dòng)力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能模塊。本文的主要工作包括以下幾部分： 第一章綜述了噪聲控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及

3、目前主要遇到的問(wèn)題，論述了目前應(yīng)用于聲學(xué)領(lǐng)域的各種研究方法，包括有限元法、邊界元法、統(tǒng)計(jì)能量法等，同時(shí)介紹了本文的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)JIFEX，給出了本論文的主要研究?jī)?nèi)容。 第二章由聲學(xué)波動(dòng)方程及各類(lèi)邊界條件的等效積分弱形式推導(dǎo)出小阻尼聲場(chǎng)的有限元方程。在此基礎(chǔ)上，假設(shè)聲壓向量的非負(fù)性，求解小阻尼聲場(chǎng)有限元方程。利用半解析方法計(jì)算了聲學(xué)剛度陣、質(zhì)量陣和阻尼陣的導(dǎo)數(shù)，并且用全局差分方法進(jìn)行了校核，最后分別以特征頻率和聲壓級(jí)響應(yīng)為目標(biāo)函數(shù)

4、，對(duì)三維汽車(chē)模型的聲場(chǎng)特性進(jìn)行了邊界形狀優(yōu)化，得到了滿(mǎn)意的優(yōu)化結(jié)果。 第三章推導(dǎo)了內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)方程，采用靜凝聚法消除了質(zhì)量矩陣的奇異性，采用了求解耦合系統(tǒng)非對(duì)稱(chēng)系數(shù)矩陣特征對(duì)的共軛子空間迭代算法，并證明了耦合系統(tǒng)左右特征向量的關(guān)系以及正交歸一化條件。采用模態(tài)法、直接法和迭代法求解耦合系統(tǒng)響應(yīng)，并通過(guò)數(shù)值算例證明了方法和程序的正確性和可行性。 第四章研究了穩(wěn)態(tài)激勵(lì)下內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的特征頻率和聲壓響應(yīng)的靈敏度分

5、析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。首先建立了尺寸、形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，給出了靈敏度分析算法。然后結(jié)合結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)理論，建立了聲場(chǎng)-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化模型，推導(dǎo)了拓?fù)湓O(shè)計(jì)變量的靈敏度公式。并利用材料分布拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的剛度層分布進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。 第五章研究了隨機(jī)激勵(lì)下內(nèi)腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的分析求解方法。考慮到隨機(jī)激勵(lì)下耦合問(wèn)題算法求解的精度和效率，提出了一種求解耦合系統(tǒng)隨機(jī)響應(yīng)的迭代算法，并在每個(gè)迭代步過(guò)程中采用了

6、虛擬激勵(lì)法求解。通過(guò)求解過(guò)程的推導(dǎo)可以發(fā)現(xiàn)，虛擬激勵(lì)法除了保持結(jié)構(gòu)動(dòng)力隨機(jī)分析中高效的特點(diǎn)外，對(duì)于聲固耦合系統(tǒng)的迭代求解，在計(jì)算效率上還具有常規(guī)算法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。 第六章推導(dǎo)了隨機(jī)聲學(xué)響應(yīng)功率譜的靈敏度分析公式，并與差分法比較。以空腔內(nèi)某點(diǎn)的隨機(jī)聲壓級(jí)響應(yīng)功率譜和內(nèi)腔平均聲壓級(jí)響應(yīng)功率譜為目標(biāo)函數(shù)，以結(jié)構(gòu)重量作為約束函數(shù)，以結(jié)構(gòu)的厚度作為設(shè)計(jì)變量，建立了隨機(jī)激勵(lì)作用下的內(nèi)空腔聲-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。通過(guò)修改SIMP