周期空腹板結構是由許多個相同的周期單元沿著一個方向連接而成的組合結構,其中周期單元由薄板和筋組成。周期空腹板具有彈性波帶隙特性,即帶隙頻率范圍內的彈性波不能在結構中傳播。當一種波型在周期結構中傳播時,周期結構中該單一波型表現(xiàn)出明顯的帶通和帶阻特性。周期空腹板結構中存在較寬縱向和彎曲振動帶隙,研究空腹板結構的帶隙特征可以從機理上解釋結構優(yōu)越的減振性能。此外研究空腹板結構的減振性能可以為周期結構在工程振動控制領域的應用提供參考依據(jù)。結構振動與噪聲控制一直是理論和工程實際中關注和亟需解決的熱點問題之一。周期結構,作為一種聲子晶體,是凝聚態(tài)物理領域在研究光子晶體中電磁波傳播特性的基礎上提出的一個新方向,具有重要的理論價值和工程應用意義而引起廣泛研究興趣。本文構建了周期振子結構,以揭示周期結構中的布拉格(Bragg)帶隙和局域共振(Locally Resonant,簡稱LR)帶隙特征;構建了非對稱周期結構,以揭示存在多種波型的周期結構中波傳播特征;構建了周期空腹板結構,取得了優(yōu)越的低頻和高頻減振性能,并利用該結構設計了組合式空腹板基座,大大改善了艦船隔振系統(tǒng)的振動傳遞衰減幅度。本文主要研究內容與成果包括:(1)在閱讀大量相關文獻的基礎上,全面綜述了周期結構中縱向和彎曲振動帶隙、一維周期結構中多種波型的耦合作用、周期結構在振動控制領域的應用研究概況,指出周期結構在振動控制領域中應用的優(yōu)越性及不足之處。(2)給出了Euler梁、吸振器和剛體等子結構的耦合振動導納方程,結合傳遞矩陣法推導了周期單元的導納矩陣,為求解周期結構中波的傳播系數(shù)以及結構的動態(tài)響應奠定了理論基礎。構建了周期振子結構,闡述了周期結構中的Bragg帶隙特征。在周期振子上等間距布置吸振器,形成了LR周期振子結構,在不破壞Bragg帶隙的基礎上取得LR帶隙。數(shù)值討論了周期振子結構參數(shù)對兩種LR和Bragg帶隙邊界頻率的影響。(3)為了揭示周期結構中縱向波和彎曲波的耦合作用,設計了對稱和非對稱周期結構。非對稱周期結構中存在多種波的耦合作用,在求解周期單元的傳播系數(shù)時將出現(xiàn)變態(tài)矩陣,采用波型分組法,求得了多種波型的傳播系數(shù)。數(shù)值分析了周期結構中波型的傳播系數(shù)與其動態(tài)響應之間的關系。(4)設計了周期空腹板結構,采用波動方法研究了周期空腹板的振動帶隙以及結構在帶隙內的振動衰減特性,特別地優(yōu)化了周期空腹板在0-3000Hz頻段的減振性能。搭建了周期空腹板結構的試驗模型,測試了結構的動態(tài)特性,驗證了空腹板數(shù)值模型的正確性。(5)在周期空腹板上等間距安裝吸振器,形成了LR周期空腹板結構,使得結構同時存在低頻LR帶隙和高頻Bragg帶隙。討論了周期結構中的帶隙特征以及結構在低頻和高頻的減振性能。搭建了LR周期空腹板結構的試驗模型,測試了結構的動態(tài)特性。(6)利用周期空腹板結構的LR帶隙和Bragg帶隙機理,設計了組合式空腹板基座,以改善艦船隔振系統(tǒng)的減振性能。組合式空腹板基座在LR帶隙和Bragg帶隙內均取得了大幅的振動衰減現(xiàn)象,并試驗驗證了基座高效的隔振性能。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TB535
文章目錄
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
1.1. 研究背景、意義和課題來源
1.1.1 研究背景
1.1.2 研究意義
1.1.3 課題來源
1.2. 周期結構的減振機理概述
1.3. 相關領域研究現(xiàn)狀
1.3.1 周期結構Bragg帶隙研究
1.3.2 周期結構LR帶隙研究
1.3.3 周期結構中波的耦合研究
1.3.4 周期結構在減振領域中的應用研究
1.3.5 艦船基座結構的動態(tài)特性研究
1.3.6 現(xiàn)有研究的不足之處
1.4. 本文研究內容
第二章 周期結構的振動帶隙機理及研究方法
2.1. 概述
2.2. 周期結構的研究方法
2.2.1 子結構導納法
2.2.2 傳遞矩陣法
2.2.3 波動理論
2.3. 周期結構的振動帶隙機理
2.3.1 周期振子的力學模型
2.3.2 周期振子結構中的Bragg帶隙
2.3.3 LR周期振子結構中的振動帶隙
2.3.4 雙LR周期振子結構中的振動帶隙
2.3.5 雙LR周期振子結構的動態(tài)響應特征
2.4. 本章小結
第三章 周期結構中耦合波的傳播特性
3.1. 概述
3.2. 力學模型
3.2.1 模型描述
3.2.2 周期單元導納矩陣
3.3. 波的傳播系數(shù)
3.3.1 對稱周期結構中波的傳播系數(shù)
3.3.2 非對稱周期結構中波的傳播系數(shù)
3.4. 對稱、非對稱周期結構的動態(tài)響應
3.4.1 半無限長對稱周期結構的動態(tài)響應
3.4.2 半無限長非對稱周期結構的動態(tài)響應
3.4.3 有限元仿真驗證
3.5. 本章小結
第四章 周期空腹板結構的減振性能
4.1. 引言
4.2. 周期空腹板的力學模型
4.2.1 模型描述
4.2.2 周期單元的導納矩陣
4.3. 周期空腹板中波的傳播系數(shù)
4.3.1 波的傳播系數(shù)
4.3.2 結構參數(shù)對波衰減常數(shù)的影響
4.4. 周期空腹板結構的動態(tài)特性
4.4.1 半無限長周期空腹板結構的動態(tài)響應
4.4.2 周期空腹板結構的減振特性
4.5. 周期空腹板的動態(tài)特性測試
4.5.1 實驗平臺描述
4.5.2 加速度頻響測試及結果討論
4.6. 本章小結
第五章 LR周期空腹板結構的減振性能
5.1 引言
5.2. LR周期空腹板的力學模型
5.2.1 模型描述
5.2.2 周期單元的導納矩陣
5.3. LR周期空腹板的動態(tài)特性分析
5.3.1 周期結構中彎曲波的傳播系數(shù)
5.3.2 結構參數(shù)對彎曲振動帶隙的影響
5.3.3 半無限長LR周期空腹板的動態(tài)響應
5.3.4 有限長LR周期空腹板的動態(tài)響應
5.4. LR周期空腹板的動態(tài)特性測試
5.4.1 實驗平臺描述
5.4.2 加速度頻響測試及結果討論
5.5. 本章小結
第六章 組合式空腹板基座的設計及動態(tài)特性分析
6.1. 引言
6.2. 組合式空腹板基座的動態(tài)特性分析
6.2.1 組合式空腹板基座
6.2.2 組合式實心板基座
6.2.3 結構參數(shù)對基座動態(tài)特性的影響
6.2.4 組合式LR空腹板基座的動態(tài)特性
6.3. 組合式空腹板基座的隔振性能
6.3.1 組合式空腹板基座
6.3.2 組合式LR空腹板基座
6.4. 艦船隔振系統(tǒng)的動態(tài)特性測試
6.4.1 組合式空腹板基座的動態(tài)特性測試
6.4.2 基座-艙段系統(tǒng)的動態(tài)特性測試
6.4.3 設備-基座-艙段系統(tǒng)的動態(tài)特性測試
6.5. 新型空腹板基座的構建
6.5.1 新型空腹板基座
6.5.2 新型空腹板基座的靜態(tài)特性分析
6.5.3 新型空腹板基座的動態(tài)特性分析
6.6. 本章小結
第七章 總結與展望
7.1 全文總結
7.2 論文創(chuàng)新點
7.3 研究展望
參考文獻
致謝
攻讀博士學位期間發(fā)表論文及參與課題
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