一种被动约束阻尼旋转体结构的振动分析方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种被动约束阻尼旋转体结构的振动分析方法，提取被动约束阻尼旋转体结构边界条件信息，被动约束阻尼旋转体结构由软结构和硬结构两部分构成，软结构即为中间阻尼层而硬结构为内外的基层和约束层，利用层间的连续性条件将这两部分以位移形式连接，根据一阶剪切变形理论分别确定软结构和硬结构中各层中面应变和曲率与位移的关系，确定被动约束阻尼旋转体结构的总能量，根据瑞利-里兹原理建立求解器进行求解，输出结构的固有频率和损耗因子。本发明专利技术的方法可以用于解决各种复杂边界条件包含各种经典边界、一般弹性边界和非一致约束的边界条件下的被动约束阻尼旋转体结构的振动及其阻尼分析问题。

【技术实现步骤摘要】
一种被动约束阻尼旋转体结构的振动分析方法
本专利技术涉及的是一种被动约束阻尼结构振动方法。
技术介绍
被动约束阻尼旋转体结构由基层、约束层和中间的阻尼层构成，由于阻尼层的剪切变形会导致大量的能量耗散，能够有效抑制结构的振动和声辐射，并且这种结构能够以较轻的质量获得较好的阻尼效果，因此被动约束阻尼结构已经被广泛应用于航空、船舶、汽车、管道运输等领域。目前，被动约束阻尼层结构研究的内容主要集中于结构参数的优化设计也就是确定使结构损耗因子取最大值时的阻尼材料属性、层数和层厚等等，并发展有很多的分析方法。例如，以建立不同有限元模型的方法来解决各种负载下的被动约束阻尼壳的振动问题，这种方法能够适用于较复杂的结构；利用波传播方法解决流固耦合下的被动约束阻尼壳的功率流问题；传递函数法被用来解决多组约束阻尼结构层合的圆柱壳振动分析；此外，传递矩阵法被应用在部分敷设约束阻尼结构的振动问题。但以上方法均难以适用于各种边界条件例如经典边界条件和一般弹性边界条件，并且由于使用了薄壳理论对于较厚的阻尼层不能得到足够高的精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供用以解决被动约束阻尼结构在经典边界条件和一般弹性边界条件下的自由、强迫振动及其阻尼特性问题的一种被动约束阻尼旋转体结构的振动分析方法。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术一种被动约束阻尼旋转体结构的振动分析方法，其特征是：(1)提取被动约束阻尼旋转体结构边界条件信息，边界条件信息转化为假设的边界弹簧刚度值信息；即：边界条件信息由假设的两种弹簧表示，分别为用以模拟被动约束阻尼旋转体结构边界的轴向、周向以及径向的力的线弹簧(ku,kv,kw)以及用以模拟边界关于轴向的弯矩的扭转弹簧(Kx)，这两种弹簧一致均匀地分布于被动约束阻尼结构的边界用来替代任意的边界条件，边界弹簧的刚度值表示为ku＝10α,kv＝10β,kw＝10γ,Kw＝10λ，根据获取的实际边界信息设定这四个弹簧的刚度值即可获得相应的边界条件，并有如下对应关系：(2)在被动约束阻尼旋转体结构上设立正交曲线坐标系(α,β,z)，其中α和β分别沿着两条正交曲线变化，z沿着厚度方向变化,Rα和Rβ为α和β方向上的曲率半径,A和B为曲线坐标系中的拉梅系数；(3)被动约束阻尼旋转体结构由软结构和硬结构两部分构成，软结构即为中间阻尼层而硬结构为内外的基层和约束层，利用层间的连续性条件将这两部分以位移形式连接；(4)设置被动约束阻尼结构基层和约束层的轴向位移、周向位移、有关轴向和周向的转角位移以及整体横向位移共计九个位移：基层的位移为约束层的位移为整体横向位移为w；(5)根据一阶剪切变形理论分别确定软结构和硬结构中各层中面应变和曲率与位移的关系；(6)确定被动约束阻尼旋转体结构的总能量：被动约束阻尼旋转体结构的能量总共包括三部分：旋转体结构的动能、旋转体结构的势能以及边界条件所储存的势能Uspr，对于被动约束阻尼旋转体结构，其拉格朗日能量函数L建立为：其中Ui是各层的势能，Ti是各层的动能；(7)根据瑞利-里兹原理建立求解器进行求解，输出结构的固有频率和损耗因子：将九个位移函数带入到拉格朗日能量函数后对其应用瑞利-里兹方法即得到线性方程组，进一步写成矩阵表达式：(K*-ω2M)E＝0，此即为结构的特征方程，求解此特征方程得到结构各阶固有频率损耗因子及其模态，K*代表结构的复刚度矩阵，M代表结构的质量矩阵，ω为结构的圆频率，E代表未知系数组成的列向量。本专利技术还可以包括：1、步骤(3)中利用层间的连续性条件将这两部分以位移形式连接，具体连接形式如下：其中，h1，h2，h3分别为基层、阻尼层和约束层的厚度，为阻尼层的位移。2、步骤(4)中各层的位移函数设置如下：其中M和N为函数的截断级数，且A、B、E、F为系数向量，用来表示位移中各项的未知系数，补充函数具体形式设置为：3、步骤(6)中边界条件所储存的势能Uspr以弹簧的形式表示为本专利技术的优势在于：相比较现有分析方法只适用于几种经典边界条件，本专利技术的方法可以用于解决各种复杂边界条件包含各种经典边界、一般弹性边界和非一致约束的边界条件下的被动约束阻尼旋转体结构的振动及其阻尼分析问题，能够进一步分析边界条件对结构阻尼特性的影响。此外，本专利技术方法还具有计算精度高、收敛性好等优点，并且对于较厚的结构也同样具有较好的精度和收敛性而不局限于薄壁结构。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2a为被动约束组尼旋转体结构的曲线坐标系，图2b为被动约束组尼旋转体结构层合示意图；图3a为圆柱壳被动约束阻尼旋转体结构模型图；图3b为圆锥壳被动约束阻尼旋转体结构模型图；图3c为球壳被动约束阻尼旋转体结构模型图；图3d为环形板被动约束阻尼旋转体结构模型图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：结合图1～3，本专利技术具体步骤如下：1)提取被动约束阻尼旋转体结构边界条件信息、尺寸参数及材料属性信息，其中边界条件信息将转化为假设的边界弹簧刚度值信息；2)在被动约束阻尼旋转体结构上设立正交曲线坐标系(α,β,z)，其中α和β分别沿着两条正交曲线变化，z沿着厚度方向变化,Rα和Rβ设为α和β方向上的曲率半径,A和B为曲线坐标系中的拉梅系数,并根据实际结构确定具体坐标系以及参数Rα,Rβ,A,B。3)被动约束阻尼旋转体结构由软结构和硬结构两部分构成，软结构即为中间阻尼层而硬结构为内外的基层和约束层，利用层间的连续性条件将这两部分以位移形式连接；4)为了能够完全描述被动约束阻尼旋转体结构各层的振动位移情况，设置被动约束阻尼结构基层和约束层的轴向位移、周向位移、有关轴向和周向的转角位移以及整体横向位移共计九个位移：基层的位移为约束层的位移为整体横向位移为：w。5)根据一阶剪切变形理论分别确定软结构和硬结构中各层中面应变和曲率与位移的关系，为确定结构全局能量做前期准备；6)确定被动约束阻尼旋转体结构的总能量。被动约束阻尼旋转体结构的能量总共包括三部分：旋转体结构的动能、旋转体结构的势能以及边界条件所储存的势能Uspr。对于被动约束阻尼旋转体结构，其拉格朗日能量函数L可以建立为：其中Ui是各层的势能，Ti是各层的动能；7)根据瑞利-里兹原理建立求解器进行求解，输出结构的固有频率和损耗因子：将九个位移函数带入到拉格朗日能量函数后对其应用瑞利-里兹方法即得到一系列线性方程组，可进一步写成矩阵表达式：(K*-ω2M)E＝0，此即为结构的特征方程，求解此特征方程就可以得到结构各阶固有频率损耗因子及其模态。K*代表结构的复刚度矩阵，M代表结构的质量矩阵，ω为结构的圆频率，E代表未知系数组成的列向量。步骤1)中边界条件信息由假设的两种弹簧表示，分别为线弹簧(ku,kv,kw)用以模拟被动约束阻尼旋转体结构边界的轴向、周向以及径向的力，扭转弹簧(Kx)用以模拟边界关于轴向的弯矩，这两种弹簧一致均匀地分布于被动约束阻尼结构的边界用来替代任意的边界条件。边界弹簧的刚度值表示为ku＝10α,kv＝10β,kw＝10γ,Kw＝10λ，在计算中，只需根据获取的实际边界信息设定这四个弹簧的刚度值即可获得相应的边界条件，并有如下对应关系：步骤3)中利用层间的连续性条件将这两部分以位移形式连接，具体连接形式如下：其中，h1，h2，h3分别为基层、阻尼层和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种被动约束阻尼旋转体结构的振动分析方法，其特征是：(1)提取被动约束阻尼旋转体结构边界条件信息，边界条件信息转化为假设的边界弹簧刚度值信息；即：边界条件信息由假设的两种弹簧表示，分别为用以模拟被动约束阻尼旋转体结构边界的轴向、周向以及径向的力的线弹簧(ku,kv,kw)以及用以模拟边界关于轴向的弯矩的扭转弹簧(Kx)，这两种弹簧一致均匀地分布于被动约束阻尼结构的边界用来替代任意的边界条件，边界弹簧的刚度值表示为ku＝10α,kv＝10β,kw＝10γ,Kw＝10λ，根据获取的实际边界信息设定这四个弹簧的刚度值即可获得相应的边界条件，并有如下对应关系：(2)在被动约束阻尼旋转体结构上设立正交曲线坐标系(α,β,z)，其中α和β分别沿着两条正交曲线变化，z沿着厚度方向变化,Rα和Rβ为α和β方向上的曲率半径,A和B为曲线坐标系中的拉梅系数；(3)被动约束阻尼旋转体结构由软结构和硬结构两部分构成，软结构即为中间阻尼层而硬结构为内外的基层和约束层，利用层间的连续性条件将这两部分以位移形式连接；(4)设置被动约束阻尼结构基层和约束层的轴向位移、周向位移、有关轴向和周向的转角位移以及整体横向位移共计九个位移：基层的位移为约束层的位移为整体横向位移为w；(5)根据一阶剪切变形理论分别确定软结构和硬结构中各层中面应变和曲率与位移的关系；(6)确定被动约束阻尼旋转体结构的总能量：被动约束阻尼旋转体结构的能量总共包括三部分：旋转体结构的动能、旋转体结构的势能以及边界条件所储存的势能Uspr，对于被动约束阻尼旋转体结构，其拉格朗日能量函数L建立为：其中Ui是各层的势能，Ti是各层的动能；(7)根据瑞利‑里兹原理建立求解器进行求解，输出结构的固有频率和损耗因子：将九个位移函数带入到拉格朗日能量函数后对其应用瑞利‑里兹方法即得到线性方程组，进一步写成矩阵表达式：(K*‑ω2M)E＝0，此即为结构的特征方程，求解此特征方程得到结构各阶固有频率损耗因子及其模态，K*代表结构的复刚度矩阵，M代表结构的质量矩阵，ω为结构的圆频率，E代表未知系数组成的列向量。...

【技术特征摘要】
1.一种被动约束阻尼旋转体结构的振动分析方法，其特征是包括以下步骤：(1)提取被动约束阻尼旋转体结构边界条件信息，边界条件信息转化为假设的边界弹簧刚度值信息；即：边界条件信息由假设的两种弹簧表示，分别为用以模拟被动约束阻尼旋转体结构边界的轴向、周向以及径向的力的线弹簧u、v、w以及用以模拟边界关于轴向的弯矩的扭转弹簧x，这两种弹簧一致均匀地分布于被动约束阻尼结构的边界用来替代任意的边界条件，边界弹簧的刚度值表示为ku＝10α,kv＝10β,kw＝10γ,Kw＝10λ，根据获取的实际边界信息设定这四个弹簧的刚度值即可获得相应的边界条件，并有如下对应关系：(2)在被动约束阻尼旋转体结构上设立正交曲线坐标系(α,β,z)，其中α和β分别沿着两条正交曲线变化，z沿着厚度方向变化,Rα和Rβ为α和β方向上的曲率半径,A和B为曲线坐标系中的拉梅系数；(3)被动约束阻尼旋转体结构由软结构和硬结构两部分构成，软结构即为中间阻尼层而硬结构为内外的基层和约束层，利用层间的连续性条件将这两部分以位移形式连接；(4)设置被动约束阻尼结构基层和约束层的轴向位移、周向位移、有关轴向和周向的转角位移以及整体横向位移共计九个位移：基层的位移为约束层的位移为整体横向位移为w；(5)根据一阶剪切变形理论分别确定软结构和硬结构中各层中面应变和曲率与位移的关系；(6)确定被动约束阻尼旋转体结构的总能量：被动约束阻尼旋转体结构的能量总共包括三部分：旋转体结构的动能、旋转体结构的势能以及边界条件所储存的势能Uspr，对于被动约束阻尼旋转体结构，其拉格朗日能量函数L建立为：其中Ui是各层的势能，Ti是各层的动能；(7)根据瑞利...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳国永，杨传猛，刘志刚，张春雨，王雪仁，缪旭弘，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23