高铁等超大型结构宽频声振预报的混合能量流方法

In recent years, as the representative of large machinery and equipment, high-speed trains present an obvious development trend with extremely high speed and relatively thin structure. The complex dynamics of lightweight structures and the broadband excitation from high-speed are extremely coupled, which makes engineers facing some new problems and challenges in prediction and control of acoustic vibrations of equipment. Considering of the prediction of the vibration and acoustics of high-speed train carriages and other large complex coupling structures, a new hybrid energy flow method for predicting and analyzing broadband vibration and acoustics is presented and its theories and algorithm are investigated by introducing energy densities which replace the conventional displacement parameters to the finite element and the boundary element method. The presented method has capacity to make up for the shortcomings that traditional finite element method and boundary element method are not applicable in the high-frequency range and the statistical energy analysis is not accurate in the low-frequency range. Based on the presented hybrid energy flow method, the distribution of energy and the coupling characteristics of the radiated sound field and interior noise field of high-speed trains’ carriages are investigated, and the noise and vibration in each frequency ranges are predicted and located accurately. Furthermore, the interaction between the prediction and control of vibration and acoustics are completely considered to provide a practical engineering design route for vibration noise isolation reduction of the large complex structures. This study also gives some effective guidance for the prediction and control of acoustic vibration in aircrafts, submarines and ships and other kinds of complex coupled structures, so this subject has a very important academic value and practical engineering application in the future.

近年来，以高铁为代表的超大型机械设备呈现出速度极高、结构轻薄的发展趋势，高速带来的宽频激励和结构轻薄导致的复杂动力学特性两者高度耦合，使得设备的振动噪声预测和控制面临着新的问题和挑战。课题以高铁等一类超大型结构的振动噪声评估为背景，用能量密度替代位移参量，并将之引入到有限元/边界元方法的计算中，融合为一种可以实现宽频振动噪声预测和分析的混合能量流新方法，开展理论和算法研究。该方法可以弥补传统有限元/边界元方法高频不适用和统计能量法低频不准确的缺陷，实现超大型结构的宽频声振预报。基于该混合能量流方法，研究高铁车体振动场和车厢内外声场的能量分布规律和耦合特性，实现各频段振动噪声的精确预测和定位。声振预报和隔振降噪设计交互进行，为复杂耦合结构的隔振降噪提供一种切实可行的振动工程设计路线。本研究亦可有效指导飞机、潜艇和船舰等各类复杂结构的振动噪声分析和控制，具有重要的学术价值和工程应用前景。

结构中高频振动特性的预报分析已成为高铁、舰船等大型复杂机械系统的设计优化中不可缺少的部分。有限元及边界元方法通常以动力学响应的位移为基本变量，不适用于结构的中高频振动。统计能量法作为一种集总参数方法，仅能得到系统子系统平均意义下的响应。能量有限元方法（EFEA）以局部平均的能量密度作为基本未知量，基于结构任意微元的能量平衡关系导出系统的能量密度控制方程，仅使用较少的计算量便能实现对结构任意位置处能量密度的预报，在中高频领域具有优势。目前该领域已取得一部分的研究进展，但仍有许多关键问题有待解决。本研究以高铁这类大型复杂机械系统的中高频声振预报分析为研究目标，侧重于能量有限元/边界元方法在此类大型复杂机械系统中高频预测中的应用。本课题主要进行以下工作：（1）建立了功能梯度材料结构的能量有限元模型，考虑了材料属性在厚度方向变化时能量密度以及能量强度的变化，导出了功能梯度梁、板结构的能量有限元模型；（2）考虑热梯度环境，建立了热梯度环境下结构的能量有限元模型，从而使EFEA能有效求解热梯度环境下结构的能量响应；（3）建立了基于耦合损耗因（CLF）的能量有限元耦合方法，在新的耦合方法中考虑了直接场对结构响应的影响；（4）建立了工程中常见耦合结构的能量边界元模型；（5）研究了经典短波-长波组合系统加筋板的混合模型，基于模态耦合原理建立了加强筋-板的能量传递关系，并利用EFEA对短波子系统的能量响应进行了求解；（6）建立了用于求解工程中常见组合结构的能量边界元模型，并使用该方法研究分析了框架结构、组合板结构的高频声振响应；（7）研究了含有不确定性区间参数以及混合参数系统的能量有限元模型，为分析含有不确定参数系统的中高频振动提供了理论依据。项目研究成果对预测高铁等一类大型耦合结构的声振耦合特性具有重要的理论意义和参考价值。