中高频环境下多孔点阵夹芯结构声振性能高效分析方法研究

Lattice sandwich structure exhibits huge potential application in the fields of aerospace vehicles, high speed train and submarine due to their high specific strength and stiffness. These industrial equipment structures suffer broadband vibration and noise excitation which directly affects the safety, reliability and comfort of the structure in the running process, and this situation puts forward the pressing need of vibro-acoustic analysis of the lattice sandwich structure. At mid-high frequencies, the decreasing of wavelength of the structural deformation and the increasing of influence of the random imperfection reduce the effectiveness of the traditional methods of structural vibration analysis. By fully considering the strong dependence of the vibro-acoustic property of the structure on the frequency range, this project aims to develop three kinds of effective analysis methods. First of all, the method developed based on the wave theory and finite element theory is used for the vibro-acoustic analysis of the lattice sandwich structure at lower side of the mid-frequency range. Then, in view of the vibro-acoustic analysis at higher frequencies, the core structure is described in terms of wave dynamic stiffness and an analytical solution framework is developed. Finally, considering the significant influence of the random defects at high frequencies, a statistical energy flow method is developed. The present study can provide adequate theory and algorithm for the efficient optimization design of the lattice sandwich structure.

多孔点阵夹芯结构作为一种高比强度和高比刚度的轻质结构，在航空航天飞行器、高速列车和潜艇等高科技工业装备中具有极其广阔的应用前景。这些工业装备结构在运行过程中所经历的宽频振动噪声环境直接影响其安全性、可靠性和舒适性，进而对多孔点阵夹芯结构的声振分析提出迫切需求。中高频激励下结构变形波长的急剧减小和随机缺陷的显著影响，大大降低了现有方法在结构声振分析中的有效性。本项目充分考虑不同频段下结构声振特性的显著差别，针对多孔点阵夹芯结构的中高频声振性能发展了三种分析方法：首先针对中频段较低频率下的声振分析，保留有限元法和波方法的各自优势发展了波有限元方法；然后基于精确动刚度描述，提出可有效求解中频段更高频率下声振响应的解析方法；最后充分考虑随机缺陷的显著影响，给出可有效分析结构高频声振性能的能量流方法。本项目发展的方法可为基于减振降噪性能考虑的多孔点阵夹芯结构最优设计提供充分的理论与算法基础。

研究多孔点阵夹芯结构的中高频振动特性具有重要的科学意义和工程实用价值。显著的轻质特点决定了多孔点阵夹芯结构形式将在航空航天飞行器、高速列车和舰船/潜艇等高科技工业装备中面临非常广阔的应用需求。如运载火箭、导弹、飞机和高速列车等工业装备，在整个服役过程中会经历宽频带恶劣激励环境，比如推进系统的喷气噪声，湍流边界层导致的气动噪声，轨道（路面）的不平顺以及各种动力装置产生的复杂激励等。为了可靠地将多孔点阵夹芯结构这种先进结构形式应用到这些工业装备结构中，研究其振动性能具有极其重要的工程应用意义。然而，由于多孔点阵夹芯结构具有多孔性、周期性和各向异性，这给其振动性能分析带来新的科学问题。因此，发展精确、高效的分析方法以保证能够准确地预测多孔点阵夹芯结构的中高频振动性能具有重要的科学意义和工程应用价值。对此，本项目针对含粘弹性阻尼材料的有限长度周期梁结构的自振频率、固有振型和模态阻尼损耗因子提出一种波成分叠加方法；针对含缺陷一维点阵复合材料纵向振动特性以及弯曲振动特性发展动力学等效均匀化分析方法；针对正交各向异性复合材料矩形薄板的频散特性、阻尼特性和受迫振动分析提出了一种辛解析波传播分析模型；针对非均匀复合材料矩形薄板的波传播特性，基于辛方法发展了一个半解析方法。本项目的研究成果对高效预示多孔点阵夹芯结构的中高频振动性能提供了有效的算法基础。