薄壁柱壳结构在随机噪声激励下的响应估算.pdf

薄壁柱壳结构在随机噪声激励下的响应估算 2006 LMS 首届用户大会论文集
薄壁柱壳结构在随机噪声激励下的响应估算※
沙云东苏志敏
(沈阳航空工业学院飞行器动力与能源工程学院沈阳 110034)
摘要:针对飞行器薄壁结构声疲劳问题,研究了具有多模态的薄壁柱壳结构在噪声载荷作用下振动响应的数值计
算方法――耦合的有限元/边界元方法(Coupled FEM/BEM Method)。算例中选取薄壁柱壳结构作为研究对象,利
用 LMS/SYSNOISE 软件,以模拟的有限带宽白噪声载荷(Band-limited White Noise)作输入,计算了该结构的
振动位移响应,并以此为基础,进一步估算出结构应力响应,还对计算结果进行了讨论。
关键词:声疲劳;有限元/边界元;随机噪声;动态响应;薄壁柱壳结构
引言
在航空航天工程领域,为减轻重量,大量使用薄壁板壳结构。这些结构在高声级噪声载荷作用下将产
生振动并引发疲劳破坏,根据载荷特点,这种疲劳称为声疲劳[1]。飞行器结构设计中必须对可能受强噪声
作用的薄壁结构进行声疲劳分析,并进行抗声疲劳的强度寿命设计。结构声疲劳问题包括载荷特性预报、
结构的动力特性分析、结构对噪声激励的响应分析、以及声疲劳寿命估算等方面,其中,结构对声载荷的
振动响应估算是关键。由于问题的复杂性,对发动机燃烧室火焰筒、尾喷管等结构,在计算分析和实验研
究中经常选用薄壁柱壳结构作为简化模型[2]。本文根据声对结构作用的有关理论,利用积分方程描述声振
耦合关系,以有限元处理结构的动力特性,利用边界元处理激励声场,通过接触面的边界条件把结构振动
方程与声激励方程联立求解[3],并根据随机振动理论和弹性理论,建立了求解应力响应的方法。算例中以
薄壁柱壳为对象,以有限带宽白噪声载荷作输入,采用LMS/SYSNOISE软件计算结构位移响应的功率谱密
度(PSD),然后,根据随机信号数值分析方法,考虑相位,并重新构建位移响应的时间历程,进而实现应
力响应的估算。
1 声学边界元基本理论
声学边界元分为直接边界元和间接边界元。考虑在弹性结构附近的某一区域,噪声场可以由边界积分
表达式描述。从波动方程出发,对于单频声场,可以推导出直接边界元方法的 Helmholtz 积分方程
⎧ p(rr) ∈ E
⎛⎞⎪
∂pr() ∂Grr(), Q ⎪1
( )
⎜⎟Grr(),dQQ− pr() s=⎨ pr() r∈ S 1
∫S ⎜⎟∂∂nn2
⎝⎠⎪
0 rI∈
⎩⎪
式中()rp 为空间点 r 处的声压;S 、E 、I 分别为边界元模型的表面、外部和内部,下标 Q 表示边界单元表
j −− rrk Q
面的源点;n 为源点处的单位法向量,格林函数为( , Q ) = errG (4/ π− rr Q ),波数 k = ω/ c ;ω为
振动的圆频率; c 是流体声速。
间接边界元方法可以从直接边界元方法推导出来,将直接边界元的 Helmholtz 积分方程应用于边界表
面的两侧,然后两方程相减,可得到计算任意观测点的声压
⎛⎞
∂Grr( , Q )
( )
p()rGrrr=−⎜⎟()