轻质结构和材料减振降噪与声振耦合性能研究


     以多孔金属材料及夹层板结构为代表的轻质材料结构,具有质量轻、刚度大、声学性能优良等特性,被广泛用作汽车、高速机车、舰船/潜艇及航空航天飞行器的外壳结构等。轻质材料结构的振动和声学耦合问题日益受到人们的重视,包括多孔材料吸声及结构声场的传入和传出问题,如汽车、高度机车、航空航天飞行器等舱外噪声透过外壳结构传入舱内及潜艇内部发动机噪声透过外壳结构传出舱外等。

    面向国家重大工程材料结构的减振降噪需求,在研究中心主任卢天健教授及振动声学组负责人辛锋先副教授的带领下,针对轻质材料结构减振降噪已开展了近10年的研究。负责人辛锋先副教授领导研究小组发表学术论文70余篇,其中以第一作者或通讯作者发表SCI文章近30篇,EI及核心期刊10余篇,在科学出版社出版中文学术专著1部(229页,28.8万字),在德国Springer出版社出版英文学术专著1部(339页,44.3万字),受邀为Intech出版社撰写英文专著1章节,申报发明专利3项。近年来工作相继发表在固体力学领域权威杂志JMPS,美国声学学会会志JASA,美国航空航天学会会志AIAA,美国机械工程师学会杂志JVA-ASME,复合材料领域杂志Compos. Sci. Technol.及欧洲固体力学杂志Eur. J. Mech. A-Solid等国际著名杂志上。担任2个国际学术期刊的编委,并多次担任包括《Journal of the Acoustical Society of America》,《Journal of Sound and Vibration》,《Composites Science and Technology》,《JASA Express Letters》,《AIAA Journal》,《Journal of Applied Physics》及《Acta Acustica united with Acustica》,《Acta Mechanica Sinica》,《固体力学学报》,《声学学报》,《振动与冲击》在内的杂志审稿人。获得全国百篇优秀博士论文提名奖及中国机械工业科技进步奖(学术专著类)。

     主要研究方向:

    1. 轻质材料结构的振动及声学特性理论、实验及数值模拟
    2. 航空航天轻质结构减振降噪理论、实验与设计
    3. 多孔泡沫材料吸声理论与优化设计
    4. 结构轻量化与减振降噪设计
    5. 轻质热防护复合结构振动、声学、隔热一体化理论与设计
    6. 固体力学 / 流体力学 / 流固耦合理论
    7. 声学理论 / 气动弹性理论

    近三年部分代表性研究工作:
    近三年来,主要围绕材料结构减振降噪理论、实验及优化设计开展研究工作。建立了复杂层芯夹层板及复合材料层合板结构声振耦合理论和有限元模拟方法,发展了外部复杂流场作用下复合结构振动与声学分析理论模型,建立了多孔金属材料吸声理论模型及优化设计方法,揭示了复合结构的振动与声学耦合机理及多孔材料吸声机理,完善了结构动力学和声学领域的流固耦合理论、多孔介质材料吸声理论,为轻质材料结构声传播和减振降噪的分析研究提供了理论方法和实验数据。开展拓展研究,研制了高性能陶瓷环氧树脂复合夹层防护结构,发展了微尺度结构降噪理论方法等。
     1. 轻质夹芯结构振动理论与声振耦合响应
     主要研究波纹层芯、蜂窝层芯等工程中常用夹层板结构的振动特性及声学特性,代表性工作包括:建立了波纹层芯夹层板结构声振耦合理论模型(Int. J. Nonlin. Mech.,2012),发展了有限大蜂窝层芯夹层板结构的声振耦合理论模型和有限元模型(力学学报,2013),建立了方形蜂窝夹层曲板的振动理论模型和有限元模拟方法(西安交通大学学报,2014)。


图 1 高速列车车体波纹层芯夹层板结构


2 理论模型预测结果与实验结果对比


图 3 四边简支蜂窝层芯夹层板结构传声示意图


4 承受内压的方形蜂窝夹层曲板示意图


图 5 不同内压下夹层曲板各阶振动频率增长率


   2. 轻质复合结构流固耦合理论与声学性能
    主要研究外部复杂流场作用下结构的流固耦合动力学问题及声学问题,代表性工作包括:建立了外部复杂流场作用下周期结构的振动与声辐射预测理论模型(Sci. China Ser. E.,2012;AIAA. J,2012),发展了周期结构流固耦合与传声理论预测方法(J. Acoust. Soc. Am.,2013),建立了外部流场作用下吸声材料层芯夹层板结构的传声理论模型(AIAA. J,2012)。



外部气流作用下声波透射加筋板结构示意图



7 外部平均流作用下填充吸声材料的无限大夹层板示意图



8 (a) 理论与实验对比;(b) 多孔材料层芯与空腔层结构对比

3. 轻质复合材料结构声振理论与声辐射机理

    主要围绕速列车及民航客机复合材料层合板结构开展振动与声学性能研究,代表性工作包括:建立了周期复合材料板结构的振动与声辐射分析理论模型(Compos. Sci. Technol.2013),基于三维弹性理论建立了多层各向异性层合板结构的声辐射理论(J. Acoust. Soc. Am.2013),基于剪切变形理论,建立了复合材料加筋板结构传声分析理论模型(J. Mech. Sci. Technol.)。




9 正交加筋复合材料板结构示意图



10 理论模型结果与实验结果对比图



11 多层各向异性层合板


    4. 轻质多孔吸声材料结构声学理论与优化设计
    主要开展多孔金属材料吸声性能研究,代表性工作包括:建立了半开孔泡沫金属吸声的声阻抗理论模型,在理论模型基础上,发展了多层梯度设计优化设计方法(ASME J. Vib. Acoust., 2014),建立了基于动态流阻抗的烧结金属纤维材料吸声理论模型(Sci. China Ser. E.,2014),建立了蜂窝结构复合多孔吸声材料结构吸声理论模型(中国科学: 物理学 力学 天文学,2014),实验研究了烧结金属纤维材料的声学各向异性,建立了烧结金属纤维材料的声学各向异性理论分析模型(Compos. Sci. Technol.,2014),建立多尺度缝隙复合结构吸声理论模型和有限元分析方法(Chin. Phys. Lett., 2014)。




12 半开孔泡沫铝胞元等效示意图



13 半开孔泡沫铝孔隙率优化后结果对比:(a)单频优化;(b)频段优化



 14(a)金属烧结纤维实物示意图;(b)烧结金属纤维等效结构示意图


    

15a)孔隙率梯度对吸声系数影响;(b)纤维直径梯度对吸声系数影响

 



16 多尺度缝隙吸声结构



17 多尺度缝隙吸声结构声阻抗和传播常数

   5. 系统总结了课题组近10年来关于轻质材料结构减振降噪的工作(科学出版社,2012Springer2014;固体力学学报,2012;应用数学与力学,2014)。

    项目负责人带领课题组从事轻质材料结构减振降噪理论、实验及优化设计研究已近10年,期间主要围绕1. 轻质材料结构的振动及声学特性理论、实验及数值模拟;2. 航空航天轻质结构减振降噪理论、实验与设计;3. 多孔泡沫材料吸声理论与优化设计;4. 结构轻量化与减振降噪设计;5. 轻质热防护复合结构振动、声学、隔热一体化理论与设计等研究方向开展了一系列研究,取得的一定的研究成果。应相关出版社及期刊的邀请,系统总结了课题组主要工作。