超轻点阵夹芯结构声振耦合特性的几个关键问题研究

This project proposed three urgent scientific problems for vibro-acoustic coupling of ultra-light lattice truss core sandwich structure from the viewpoint of vibration response characterization, mean flow depiction, boundary layer excitation description and complex boundary condition management. First of all, equivalent elastic parameters for different lattice sandwich are derived based on the dynamic homogenization method. Theoretical models for structural vibration response calculation are built using higher order laminated theory and elasticity theory, then the influence rules and related physical mechanism of different lattice truss core on structural acoustic characteristics. Then, analytical models on vibro-acoustic coupling will be developed inconsideration of mean flow and boundary layer excitation, and corresponding sound insulation and sound radiation efficiency will be investigated. Furthermore, the influence of different structural boundary conditions will be explored, and boundary condition of structure itself and vibro-acoustic coupling will also be discussed. Numerical simulation and related vibration or acoustic experiments will be conducted to validate aforementioned researches, and eventually analysis system of vibro-acoustic of ultra-light lattice truss core will be established taking into account of complex flow environment and boundary conditions, which effectively promote its wide application in high-speed train, commercial airlines, submerged submarines etc., where noise index requirement is stringent.

本项目从结构振动响应表征、运动流场刻画、边界层激励描述及复杂约束边界处理等不同角度，提出超轻点阵夹芯结构声振耦合特性研究亟需解决的三个（类）科学问题。首先，基于动态均匀化方法得到不同点阵夹芯的等效弹性参数，在此基础上利用高阶层合板及弹性理论建立结构振动响应计算模型，同时考虑液载的耦合作用预测结构的声辐射和传声损失，分析不同点阵夹芯对结构声学特性的影响规律及物理机理。然后，建立考虑运动流场及边界层激励下复杂流场环境中结构声振耦合特性的分析模型，研究非理想静止流场下结构的隔声性能以及辐射效率。进一步，探究不同约束边界下点阵夹芯结构的声学响应，以及结构-背腔耦合声学系统下约束边界以及声振耦合边界的影响。利用数值模拟及振动声学测试技术对上述研究进行对比验证，最终建立复杂流场及结构边界下超轻点阵夹芯结构的声振耦合特性分析模型体系，促进其在噪声要求较高的高速列车、民航客机、水下舰艇等领域的广泛应用。

新型轻质点阵结构（Lattice structure）是一类具有金字塔、Kagome以及X型桁架夹芯板等多种周期拓扑形式夹芯的三明治板结构，其同时具有超轻、高比刚度、高效散热以及易于开展多功能设计等特点，是国际上公认为航空航天领域最有前景的新一代超强材料。 目前的研究主要针对静力学、材料制备以及动力学方面做了许多工作，本项目主要针对轻质点阵结构的声振耦合特性开展研究。首先，选取当前力学和材料领域中讨论较多的金字塔、Kagome以及X型拓扑形式的三维新型轻质点阵结构，基于渐进均匀化分析开展了等效弹性参数的预测工作。进一步，结合层合板理论讨论点阵夹芯板的振动和声学特性。最后，通过改进傅里叶级数法，讨论了弹性约束边界下点阵夹芯板的振动。结果发现，采用渐进均匀化方法可以有效地得到点阵结构的等效弹性参数，更重要的是，通过对渐进均匀化方法的改进，可以基于现有的有限元软显著简化渐进均匀化方法在使用中的复杂实施问题。基于均匀化方法和层合板理论的振动分析和数值模拟结果近似，而隔声结果和实验对比良好，比较充分地验证了等效参数方法以及声振耦合分析方法的有效性，为今后点阵结构在航空航天上的应用提供了理论基础。