开题报告-基于有限元法的橡胶周期结构声特性研究.doc

本科毕业设计橡胶周期结构声特性研究本科毕业设计(开题报告)题 目:基于有限元法的橡胶周期结构声特性研究专业名称 环境工程 学生姓名 田丹 指导教师 刘志宏 毕业时间 2015年6月 一研究背景及意义：潜艇是具有重要威慑作用的海上隐蔽作战平台。要使潜艇发挥隐蔽性强、杀伤力大的军事效益，潜艇的隐身性能尤为重要。由于声波（尤其低频声波）是水下长距离传播的唯一信号形式，因此，声隐身是潜艇隐身性能的决定因素。潜艇声隐身技术包括两方面内容，一是降低潜艇自身噪声辐射强度，以降低被敌方被动声纳发现的可能性；二是减小潜艇目标反射强度，以降低被敌方主动声纳发现的可能性。近年来，潜艇噪声辐射控制技术水平的提高，特别是安静型、超安静型潜艇的出现，使得被动声纳的探测效率急剧下降何世平粘弹性圆柱管中波的传播研究及吸声覆盖层声学特性分析博士学位论文上海：上海交通大学，2004。可以预计，在不久的将来，潜艇的声隐身重点将逐渐转向减小目标反射强度，以对抗敌主动声纳的探测。降低潜艇目标反射强度、抑制敌主动声纳探测的最有效的方法就是在潜艇表面敷设消声瓦。敷设在潜艇外表面的消声瓦，以实现吸声功能为主，同时兼顾抑振和隔声，是目前潜艇上用于对抗敌方主动声纳的关键部件。吸声覆盖层是指敷设在潜艇表面具有吸声作用的一种功能性材料和结构。吸声覆盖层对提高潜艇的隐蔽性能作用显著，准确计算其声学性能具有重要的意义。自从 Alberich 型吸声覆盖层被德国应用以来，吸声覆盖层的吸声机理、仿真预报、性能优化等一系列相关问题一直是研究的热点。随着探测技术的不断进步，对潜艇的隐身性能要求也越来越高，而吸声覆盖层正朝着低频、宽带、耐压的方向发展【1-9】。二研究现状：早期的水声吸声材料内部设计有短圆柱空腔，所以短圆柱空腔的吸声机理研究较早。Meyer等用离散的阻尼共振系统来描述短圆柱空腔的共振特性，即将短圆柱空腔用一个带有阻尼的振子来描述，整个水声吸声材料则由许多振子并联而成。70 年代末期，Gaunaurd采用线性粘弹性Kelvin-Voigt模型，在短圆柱空腔的高度远小于直径的条件下，研究表明空腔呈径向共振，在空腔壁产生耗散效率较高的横波，因而材料吸声性能显著增强。Lane 分析认为，吸声性能不仅源于空腔的径向共振，还源于圆柱空腔端面覆盖薄层的弯曲共振。Gaunaurd进一步研究表明，圆柱空腔在声波激励下产生的这两种共振中，哪一个起主要作用则取决于水声吸声材料相对于圆柱空腔端面覆盖薄层的刚度比。国内朱蓓丽研究了含圆柱空腔的橡胶声学性能，结果表明，在共振频率处，空腔壁剪切变形达到最大值，完成纵波向横波的转化，利用横波在阻尼介质中耗散效率较高的特点，可实现声波的高效吸收。何世平、汤渭霖等以柱面波本征展开为基础，发展了二维近似理论，分析了水声吸声材料内部短圆柱空腔散射形成的轴对称波，结果表明，低阶谐波为径向膨胀波，低阶谐波共振对低频声吸收起主要作用。谭洪波、王曼等采用有限元方法，分析了含圆柱空腔复合橡胶内部的位移场，同样表明声吸收源于空腔的径向共振和端面覆盖层的弯曲振动。【易思】 由于水声吸声材料属于一类典型的非均匀复合介质，其内部声波的传播过程比较复杂，目前能够解析处理的介质仅限于多层均匀结构，分析方法为传递矩阵法。能够用不同散射方法处理的声学结构仅限于几类简单的几何形状，如球形、准球形以及柱形。对于较复杂的声学结构，如阻抗渐变空腔等，常采用近似方法或数值方法。【易思】有限元法就是一种重要的数值方法。有限元方法是随着计算机技术和计算声学的发展而兴起的。近年来，有限元方法逐渐被引入到水声吸声材料声学性能的分析中。国际上使用有限元方法对结构吸声材料的声学特性的分析始于 80 年代。Ma等运用有限元方法分析了谐波在含有周期分布圆柱孔的复合材料的的传播。该方法采用有限元法直接对水声吸声材料进行建模分析，由于有限元数目较大，因而存在计算量大、计算时间长的缺点。根据水声吸声材料内部空腔的周期性特征，法国声学实验室Hennions等根据周期性边界条件，通过应用Bloch定理，仅对单个空腔以及上下表面的部分流体进行建模，并且把入射和透射波平面波展开，然后应用上下流体与水声吸声材料压力连续条件，编写了ATILA程序，实现了垂直和倾斜两种入射方式下水声吸声材料吸声性能的分析。同时，利用有限元法分析了空腔在共振频率处的位移场，初步分析了水声吸声材料内空腔的共振吸声机理。国内谭洪波采用相同的思路，将有限元法应用于含球形、圆柱以及圆锥等各种形状空腔的水声吸声材料的声学性能及各空腔的共振模式分析中，讨论了各种形状空腔对水声吸声材料吸声性能的影响，并且探讨了空腔填充率以及背衬对材料吸声性能的影响。王曼利用有限元法，深入分析了水声吸声材料内部空腔的共振特性，并讨论了水声吸声材料在潜艇单层和双层壳体背衬条件下的消声和隔声性能。三研究目的通过本次毕业设计掌握有限元方法建模方法和分析方法，了解带空腔橡胶层结构声学散射特性的解析解与数值解的一般计算方法，培养实践能力，锻炼在实际研究中发现问题、解决问题的能力。主要包括：了解有限元方法并能熟练运用有限元软件。四研究的基本内容在橡胶等粘弹性材料中形成空腔是吸声覆盖层的基本结构，空腔的主要作用是使得覆盖层在低频范围产生共振，利用空腔共振时的声吸收拓展有效吸声频段。共振腔型吸声覆盖层的声学结构是沿厚度方向形成空腔，空腔的基本形状是截面均匀的圆柱型或截面随厚度变化的圆柱型，前者是Alberich覆盖层的基本结构，后者是经过改进的吸声覆盖层结构。共振腔型吸声覆盖层的声学性能预报原则上有两种方法，一种是基于粘弹性介质中波传播的解析计算方法，另一种是基于有限元的数值计算方法。实际上两种方法都各有优缺点，数值计算方法的最大优点是对于空腔形状没有任何限制，适用条件较宽，缺点是计算比较耗时，同时较难进行优化设计;解析计算方法可以比较好地说明覆盖层的吸声机理，但是要完全用解析方法去解决复杂结构问题，则是一件非常困难的事情。【陶猛】 解析计算方法大多利用声波在分层介质中的传播模型，根据分层介质的传递矩阵方法计算界面输人阻抗及相应的反射系数。 本文利用有限元分析软件ANSYS的谐振分析模块计算并分析平面波垂直人射时吸声覆盖层的声学性能。首先介绍了ANSYS的分析过程，主要涉及到粘弹性材料的损耗因子处理、声学边界条件设置等。通过ANSYS计算吸声覆盖层前界面的声压和法向振速，计算带空腔橡胶层结构的隔声量及吸声系数研究方法。五研究方法 1. 主要通过网络，图书馆的相关书籍，杂志，以及相关文献等等，收集资料和数据。对要研究的问题进行全面调查、分析。2. 利用所学的声学基础、声学测量、声信号处理等专业知识来联系实际进行分析研究。3. 利用仿真软件ansys课程的基础，进一步自学该软件声学部分的内容，并运用到本次课题研究中。4. 归纳其他专家、学者的观点与思想，结合获取的资料数据信息，深入研究，提出自己的见解。5. 通过老师的指导学习了解相关领域的发展。六研究工作进度和安排2014-2015学年第一学期：第1314周阅读中文参考文献10篇。第1518周阅读中文参考文献10篇，学习有限元软件ANSYS和声学软件COMSOL。2014-2015学年第二学期：第12周总结中文文献。第34周阅读并翻译英文文献6篇。第56周开展平板结构声学特性的解析与数值方法研究。第78周开展带空腔橡胶层声学特性研究（1）：空腔结构形式变化（2种）对声学特性的影响研究。第910周开展带空腔橡胶层水下声学特性研究（2）：空腔排列方式改变对声学特性的影响研究。第1112周在以上分析的基础上，开展带空腔橡胶层水下声学特性研究。 第1314周开展带空腔橡胶层结构的优化设计研究。第15周整理并完善论文。第16周准备论文答辩。第17周答辩。七主要参考文献1. 杜功焕、朱哲民等，声学基础，南京大学出版社，20012. 何祚镛、赵玉芳，声学理论基础，国防工业出版社，19813. G.C.Gauaurd.one-dimensional model for acoustic absorption in a visco-elastic medium containing short cylindrical cavities. JASA, 1997, 62:289-2304. G.C.Gauaurd, H.Ubreall. Resonance theory of the effective properties of perforated solids.JASA, 1982, 71:282-2955. T.C.Ma. R.A.Scott, and W.H.Yang. Harmonic wave propagation in an infinite viscoelastic medium with a periodic array of cylindrical pores.JSV, 1980, 71:473-482 6. V.Easwaran and M.L.Munjal. Analysis of reflection characteristics of a normal incidence plane wave on resonant sound absorbers: A finite element approach.JASA, 1993, 93(3)7. Sven M. Ivansson .Sound absorption by viscoelastic coatings with periodically distributed cavities. JASA, 119, 6:3558-35678.易思，基于有限元法的水声吸声材料吸声特性研究，工程硕士学位论文，20089. 何祚镛，王曼，水下非均匀复合层结构吸声的理论研究，应用声学，1996，15(5)：12-1910. 张浩，吸声覆盖层研究进展，201311. 陶猛，基于ANSYS的吸声覆盖层声学性能计算与分析，200912. 王仁乾，空腔结构吸声器的吸声系数计算方法研究，声学学报，2004，29(5)：393-39713. 王仁乾，马黎黎，吸声材料的物理参数对消声瓦吸声性能影响，哈尔滨工程大学学报，2004，25(3)：288-29