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[硕士论文] 陈志飞
电路与系统 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:超声相控阵作为无损检测技术之一,广泛应用于航空、交通、军事、医疗等工业领域。超声相控阵检测技术具有检测效率高、可靠性强、检测结果可视化、实时性好以及操作方便等众多优点,逐渐发展为国内外无损检测领域研究的热点技术。
  本文针对基于FPGA的超声相控阵控制系统进行相关的研究。首先,阐述超声波的物理和传播特性,探讨超声声场的基本性质,分析阵元间距和延时精度对超声检测分辨率的影响。随后,详细介绍超声相控阵控制系统的硬件设计方案,具体包括核心器件FPGA、激励发射、隔离限幅、采集接收、回波缓存、电源系统以及FPGA配置等相关电路设计,并完成系统硬件设计。同时,设计基于FPGA的粗细延时发射模块、LVDS信号接口、LVDS信号数据串转并模块、数据存储模块、波束合成模块以及SPI通信模块等功能模块,并分别对各个模块的功能和时序进行仿真和验证。
  然后,搭建超声相控阵硬件系统,并对供电系统电路、发射电路、限幅隔离以及接收电路进行调试。进而,对超声相控阵系统进行实际探伤测试,得到与检测缺陷接近的结果图像。
  最后,通过对探伤实验结果成像的分析,表明本文基于FPGA的超声相控阵控制系统技术的研究与硬件电路的建立,不仅能够达到超声相控阵探伤检测基本要求,而且使超声系统检测的准确性得到了提高。
[硕士论文] 朱静坤
环境工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:空气是由多种成分构成的混合气体,使用等焓和等熵膨胀,将热量从空气中抽取,使其降温,直到降低至冷凝温度后开始液化,从而将不同成分的氮、氧、二氧化碳等气体逐一分离。液化空气站在这些工艺过程中需要空气过滤设备、空气压缩膨胀设备、附属冷却装置等。随着中国工业的高速发展,高纯度空气产品需求量不断上升,因而液化空气站近年来在中国各个发达城市广泛蔓延开来。本文介绍了液化空气站的概念,分析了大型液化空气站内噪声源的类型及特性,对液化空气站内具代表性的冷却塔、自洁式空气过滤器、空分厂房等噪声源进行了噪声影响预测,根据预测结果进行声源的噪声控制试验研究,使液化空气站厂界敏感点噪声达到了《声环境质量标准》(GB3096-2008)及《工业企业厂界噪声排放标准(GB12348-2008)》中的3类标准的要求。主要有以下内容和结论:
  (1)分析与研究国内外对液化空气站中主要噪声源的治理方法。得知强制湿式机械通风冷却塔的噪声原因由以下导致:风机进排气、填料淋水、冷却塔水泵运行、电动机运转等。其噪声主要有空气动力性噪声构成,频带呈现中低频特性。空气过滤器噪声主要由空气动力性噪声、风机壳体振动相关的固体声,频带呈中低频噪声,尤其是低频噪声治理是其难点。空压机组噪声主要来源为风机进排气噪声、“喘振”、“液击”等构成,其低频噪声穿透力强,是治理的难点。本文通过实地测量分析得出冷却塔进出风口lm靠近南厂界方向噪声分别为79.7dB(A)、85.1dB(A),自洁式空气过滤器扩散口噪声为84.5dB(A)。对其噪声频谱进行分析后得出,两类噪声主要特征为中低频噪声,并进行噪声源噪声影响预测与控制试验研究。
  (2)本研究选取位于3类声环境功能区的液化空气站内的自洁式空气过滤系统、冷却系统噪声源为研究对象,利用《环境影响评价技术导则声环境》(HJ2.4-2009)中的噪声衰减预测模式以及应用能量叠加法的面声源预测模型,根据噪声源的类型、特性及位置选取不同预测模型进行预测,以液化空气站厂界外5m处宿舍楼为敏感点,预测各声源的噪声水平、垂直距离衰减的叠加噪声影响。结果显示冷却塔机组进风面噪声衰减预测中利用环评导则和能量叠加法最终得到的预测值与实测值的误差分别在2.6dB(A)、1.3dB(A)范围内,本研究中将冷却塔机组进风口看作面声源并利用能量叠加法进行噪声衰减预测得到的预测值更符合实际情况,根据预测冷却塔机组、自洁式空气过滤系统所需的降噪量分别为16.5dB(A)、2.3dB(A)。
  (3)根据预测结果分别进行了自洁式空气过滤器、冷却塔机组的降噪试验,试验对自洁式空气过滤器安装整体吸隔声罩、在进风口安装阻抗复合消声器,降噪试验完成后自洁式空气过滤器进风口噪声降低16.1dB(A),试验前后进风风速增加0.2m/s,增加阻力损失为7.93Pa,风速及阻力损失控制在合理范围内;试验在冷却塔进、出风口安装阻抗复合消声器,试验完成后冷却塔机组噪声降低22.1dB(A),阻力损失为9.39Pa,满足预测所需降噪量,各楼层测点噪声均满足《声环境质量标准》(GB3096-2008)中3类区的噪声限值标准。
  (4)液化空气站内空分厂房的噪声及振动对厂界噪声影响较大。本研究选取位于3类区的液化空气站中空分机房为研究对象,利用环评导则中的室内声源等效室外声源声功率级的方法对机房内声源噪声对隔壁楼层噪声影响进行预测分析,分析得出1楼室内噪声超标主要受空气声、固体声的共同影响,2、3楼噪声超标全部由机房内设备振动引起固体传声导致。
  (5)根据分析结果进行了空分机房隔振和降噪试验,试验采用混凝土基座、弹簧减振器和橡胶减振垫结合的复合隔振结构对空压机机组进行隔振处理、在压缩主机下安装双层橡胶减振垫、在机房内吊挂吸声体并更换隔声门、隔声窗,试验完成后办公楼1层内昼间噪声从65.1dB(A)降至48.6dB(A),各楼层的噪声均达到《社会生活环境噪声排放标准》(GB22337-2008)表2、表3中3类区的要求。
[硕士论文] 张伟
车辆工程 长安大学 2017(学位年度)
摘要:动力吸振器是一种广泛应用的振动控制装置。传统动力吸振器有效减振频带很窄,在非调谐状态下,减振效果会显著变差。变质量动力吸振器通过调节吸振器自身质量来实现固有频率的改变,从而获得较好的宽频减振效果。变质量动力吸振器通过容器中液体量的变化改变质量,当液体介质无法充满容器时会产生液体振荡现象,影响吸振器性能。为了研究这一问题,本论文利用ANSYS Workbench平台建立流固耦合模型,对变质量动力吸振器工作过程中因液体介质振荡所引起的减振性能变化进行了仿真分析和研究,并搭建了相关实验系统,验证了仿真结果。同时,研究了液体介质粘度的变化对吸振器减振效果的影响。
  本文主要研究内容如下:
  (1)在阐述二自由度系统振动理论的基础上,研究了变质量动力吸振器减振原理。介绍了有限元方法的基本思想和步骤。
  (2)分析了液体介质变质量动力吸振器在工作过程中产生的流固耦合现象。根据流固耦合基本原理,构建了流固耦合控制方程,介绍了流固耦合分析中常用的特殊边界条件,及流固耦合数值计算方法。分别建立了流固耦合相容时间积分方程和有限元方程。
  (3)利用ANSYS Workbench构建了主系统—变质量动力吸振器结构模型和流固耦合模型,进行了数值仿真,并对仿真结果进行了初步分析。
  (4)搭建了实验系统,研究了流固耦合作用下液体介质变质量动力吸振器的减振性能。对比了仿真数据与实验数据,结果表明两者具有较好的一致性,证明仿真结果是正确的。分析了液体介质粘度的变化对吸振器减振效果的影响。
[硕士论文] 孔维新
声学 兰州交通大学 2017(学位年度)
摘要:压差式矢量水听器的校准一直是一个较难解决的问题,针对此问题本文设计了一中基于光纤传感的压差式矢量水听器对其传感原理进行了理论分析,并为其设计了驻波场校准方案,对驻波场校准此类压差式矢量水听器进行了理论分析和计算机仿真并作比较。此类研究方法对压差式矢量水听器的应用具有重要的作用和意义。世界各国对海洋资源开发和海洋探测的需要对光纤水听器和水声矢量探测器的研发和应用提供了有力的推动作用。
  在构成原理上本文所设计的压差式光纤矢量水听器是以Michelson光纤干涉仪为信号传感基础,以顺变柱体和声压感应膜片为矢量水听器的载体,以电信号的分析来解调声场中的声压差以及声场的矢量信息。在传感原理方面,压差式光纤矢量水听器通过顺变柱体两端的声压感应膜片来接受声场中的声压梯度信息或质点振速信息,然后将声场中的压力信息通过顺变柱体传导到顺变柱体并引起顺变柱体的物理性变,进而由缠绕在顺变柱体两端Michelson光纤干涉仪的量光信号传感臂探测到形变信息并将此形变信号转化为光纤干涉仪中的光干涉信号。
  文章在对顺变柱体在静态条件下应力应变分析的基础上分析了顺变柱体在外界声压作用下的形变方程,并在此基础上分析了压差式光纤矢量水听器顺变柱体膜片复合结构同缠绕光纤之间在外加声压作用下的耦合形变。同时在此基础上推到了矢量水听器的声压-相移灵敏度输出原理,并得到了精确的相移输出公式。
  随后分析了各设计参数对影响矢量水听器声压-相移灵敏度的影响,并对其一一作了计算机仿真分析,又在此基础上分析了矢量水听器在动态测量条件下的谐振对其矢量测量的影响。
  最后在前面分析和总结的基础上对其动态条件下的声压-相移灵敏度作了仿真分析,并对影响矢量水听器相移输出的各要素作了详细的讨论和分析,同时在矢量水听器声压-相移灵敏度频率响应分析的基础上分析了在不同条件下矢量水听器的指向性曲线。
[硕士论文] 王余
船舶与海洋工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:阵形畸变是影响拖曳线列阵声纳探测性能发挥的重要因素。实时估计阵形并进行校准,使阵形的实时变化与声纳信号处理模型相匹配,是解决这个技术问题的基本思路。本文针对这一问题,以实现缆阵-拖线阵-尾绳全缆阵形估计为目标,采用理论建模与实验验证相结合的研究思路,通过运用缆阵动力学建模与声纳信号处理耦合分析方法,对阵形估计问题进行研究,主要工作如下:
  (1)以拖曳运动方程为基础,通过综合缆阵各阵段的动态及其与拖曳平台和海水之间的作用,建立描述缆阵全阵段运动的控制方程组,为分析拖曳平台、海流等环境因素影响提供理论基础。
  (2)采用数值计算方法,通过对缆阵空间步长进行离散求解,实现缆阵运动微分方程组的动态求解,提高数值计算精度和速度。
  (3)建立拖曳时变阵形-波束形成的耦合效应仿真环境,直观显示缆阵畸变时对拖曳线列阵声纳方位估计(测向)的影响,为阵形校准提供效果演示条件。
  (4)研究拖曳线列阵声纳阵形估计算法,建立阵形估计算法的统一求解框架,并针对拖曳线列阵声纳的几何结构特点进行仿真分析,验证算法的有效性。
  研究对于推动拖曳线列阵声纳阵形估计与校准技术的成熟化和工程化应用,进一步提高拖曳线列阵声纳战术性能具有重要作用。
[硕士论文] 李亮
电子与通信工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:目标方位估计是进行水下目标探测与定位的重要研究内容,无论在民用领域还是军用领域都具有重要意义。随着水下目标高频消声性能增强,迫使声纳的探测向低频方向发展,而这就意味着需要增大声纳系统的阵列孔径。在实际使用过程中,声纳基阵的空间几何尺寸往往会受到诸多限制。扩展阵由于其灵活的收扩性能,不用时可通过收合的方式减小占地空间,使用时可通过展开的方式增大阵列孔径,在某些安装尺寸受限的平台得到了广泛应用。论文的研究基于工程应用背景,目的是为一个12臂24阵元的扩展阵设计一套可工程实现的方位估计方法。
  论文首先对扩展阵方位估计相关的经典算法进行了深入研究,分析了其各自的特点和适用范围;然后结合研究对象的具体使用环境和结构特征进行了算法改进优化,设计了一套适合工程实现的方位估计方法;最后以计算机仿真和水池、湖上试验为手段,分析和验证了算法性能。仿真结果表明:DC加权处理可以明显抑制旁瓣级;对阵列输出信号的采样频率越高,输出指向性函数主瓣越平滑;预成波束越多,方位估计越准确,随着波束宽度降低,误差增大,且误差呈现一种周期变动的特征,周期约为30o;基阵姿态误差补偿算法可以给目标方位估计带来的积极作用。水池和湖上试验的结果表明:论文设计的算法在实际测向过程中,分别在信噪比为12dB和15dB的条件下,方位估计均方误差小于0.5o,采用姿态补偿误差算法后,可以有效平滑水流扰动、阵旋转等基阵姿态变化带来的误差。
  论文的研究成果为12臂24阵元扩展阵目标方位估计的工程实现提供了一定的理论支撑,但离真正的工程应用还有一段距离,需要在数据处理实时性优化、复杂条件下的试验验证等方面展开进一步研究。
[硕士论文] 汤本俊
检测技术与自动化装置 兰州理工大学 2017(学位年度)
摘要:通过振动台实验,我们可以研究结构试件的振动位移等信息。通过分析位移信息得到其抗震性能。检测结构试件的特征点作为物体测试的特定点,其位移、速度、加速度、挠度等运动参数是实验所要得到的数据。而本文的重点在于检测特征点的位移变化,通过对位移变化曲线的分析,来判断结构试件是否发生了变形。
  本文主要研究了视觉技术应用于结构位移检测的现状以及发展趋势。了解了振动台试验的位移检测的基本理论,主要包括数字图像的成像原理及其表现形式与特征、图像用于测量工作时所涉及的坐标系、图像预处理的相关算法、目标点的定位以及相机标定算法。提出了基于双目立体视觉技术的振动台试验的结构试件位移测量的算法,并对该算法的关键技术做了具体的研究。
  其核心内容包括:
  1)本文采用基于圆形阵列组成的标定板与张氏标定算法对系统进行标定。
  2)通过基于彩色空间转换与Hough变换检测直线,降低了直线漏检率。再根据Harris角点检测算法得到图像的特征点,通过控制阈值来控制角点的数目和质量。
  3)本文研究了特征点匹配的约束条件以及sift特征描述子,采用基于极线约束的双向匹配算法进行实验匹配,得到较好的结果。研究了双目视觉测量位移的原理。并将其应用于结构试件位移检测中。本文重点研究了双目视觉系统的标定、特征点的检测及匹配。通过设计静态试验验证了本文算法的可行性,再将此算法应用到振动台的动态试验中,得到结构试件的动态位移曲线。
  针对本文提出的测量方法,设计了相应的动、静态两种实验方案,并在我校的振动台实验室中进行了实验。首先通过静态试验来验证本文算法测量的可行性以及测量精度。然后进行了正弦波激励实验,并通过本文算法计算结构试件特征点的位移,得到的位移曲线基本与正弦激励信号变化趋势是一致的。
[硕士论文] 潘衡
机械工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:修枝机是园林美化工作中的一项重要工具,可以大大提高园林工人对植物的修剪工作。但是传统的设计方法过多考虑修枝机的外形和强度,而忽视其动态特性,使生产出来的产品振动噪声过大,给园林工作者的身体和心理造成了很大的伤害。齿轮箱是修枝机的关键传动部件,其设计制造的不足会造成齿轮箱振动剧烈,从而产生较大的辐射噪声。本文以某型号园林修枝机的齿轮箱系统为研究对象,对其振动特性及由此产生的噪声展开研究,并通过改进结构的措施达到降低齿轮箱系统振动噪声的目的。
  本文对修枝机齿轮箱系统振动噪声的分析工作如下:
  (1)修枝机齿轮箱的激励力提取。利用三维软件Solidworks强大的建模功能,建立修枝机齿轮箱的三维CAD模型,进行必要的简化和删减,并且把得到的修枝机齿轮箱传动结构导入ADAMS中。基于多刚体动力学理论,结合修枝机齿轮箱的实际运动情况,设置各零件间的运动约束和接触参数,建立齿轮箱传动系统的多刚体动力学模型。施加驱动,对修枝机齿轮箱的运动过程进行仿真,提取修枝机齿轮箱箱体内两对啮合齿轮的啮合力。
  (2)修枝机齿轮箱模态分析与实验验证。有限元模型的建立是模态分析的基础,首先,利用Hypermesh对修枝机齿轮箱CAD模型进行前处理;然后,根据齿轮箱的几何特征和大小,采用合适的网格标准,进行网格划分,建立齿轮箱的结构有限元模型。最后再利用ANSYS Workbench对齿轮箱结构的约束模态和自由模态进行计算,约束模态分析得到修枝机齿轮箱实际工作状态下的模态。另外,通过力锤法敲击齿轮箱得到频响函数曲线,基于频响曲线提取试验模态频率。将修枝机齿轮箱的试验自由模态与仿真自由模态进行比较,两者模态频率一致,验证了有限元模型的正确性。
  (3)修枝机齿轮箱谐响应分析。将前文获取的齿轮箱齿轮啮合力作为激励,加载到修枝机齿轮箱有限元模型上,进行修枝机齿轮箱谐响应分析,得到各个频率下的振动响应,并且通过ANSYS Workbench求得关键参考点X、Y、Z方向的振动位移数据,分析其振动特征。
  (4)修枝机齿轮箱辐射噪声预测。将修枝机齿轮箱的声学有限元模型导入到LMSVirtual lab中,同时将修枝机齿轮箱的振动结果映射到声学网格上作为辐射噪声分析盼边界条件,结合FEM(Finite Element Method)和AML(Automatic Matched Layer)的方法,对修枝机齿轮箱辐射噪声进行预测。
  (5)修枝机齿轮箱辐射噪声的优化改进。首先介绍噪声对人类的危害,然后根据仿真结果确定在齿轮箱下箱体增加对称加强筋,对修改后的模型重新进行谐响应分析,并基于ATV(Acoustic Transfer Vector)和MATV(Model Acoustic Transfer Vector)理论,运用FEM和AML的方法预测箱体结构优化后的辐射噪声,降噪效果比较明显。
[硕士论文] 李玥
水声工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:在水声探测中,水听器的指向性是检验声纳系统的一个很重要的指标。常规的矢量水听器的波束宽度较宽,在目标探测中,如果多目标距离较近时很难准确分辨。所以如何研制一个指向性更为尖锐的高阶指向性水听器成为新的研究目标。本文以径向极化的压电圆管为基础,对二阶多模水听器展开了研究。
  本文首先将声场中声压量进行泰勒级数展开,并将各阶展开式与各阶矢量对应起来。对各阶矢量的灵敏度公式进行了推导,并提出了一种提高压电陶瓷圆管灵敏度的连接方式。探讨了二阶矢量的自然指向性以及各类组合指向性。提出了二阶矢量水听器工作频带的受影响因素。
  基于理论推导,对水听器的声压、一阶矢量以及二阶矢量通道进行设计,选择合适的压电陶瓷圆管,测量绘制其阻抗特性曲线并进行切割。以环氧树脂为压电圆管的背衬,外面用聚氨酯灌封,制作出一只二阶多模矢量水听器,其尺寸为φ65×50 mm,声压通道的工作频带为20Hz~8000Hz,矢量通道工作频带为2500Hz~8000Hz,二阶矢量通道的工作频带为3000Hz~6500Hz。
  对制作完成的水听器进行测量,测量结果表明,水听器声压通道的指向性较好,较符合全指向性的特点,灵敏度在-181dB~-187 dB(0dB=1V/μPa)间浮动,与理论值-184 dB相差不大。水听器的矢量通道两个方向的指向性较为符合余弦指向性,灵敏度与理论值-194 dB(4000Hz,0dB=1V/μPa)相比均较低。二阶矢量通道的混合偏导指向性可以观察出横向四极子指向性,通过数据处理后得到的二阶纯偏导指向性不太理想,但大致表现出了波束变窄的趋势。
[硕士论文] 杨坤鹏
机械工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:金属橡胶隔振器是军用装甲车上的大功率柴油机减振系统的重要支撑元件,这种隔振器具有耐高温、抗腐蚀、防辐射的特点,使其得以在强载荷、安装空间小及环境恶劣的军用大型柴油机减振系统中发挥良好的减振作用并具有较长的使用寿命。近年来,国内外学者对于金属橡胶隔振器的研究大部分集中于其试验及结构设计上,但是对于其内部的工作机理及非线性特性研究较少,所以有必要对其展开特定的研究工作。
  本文针对某金属橡胶隔振器的非线性特性讨论了非线性动力学系统的研究方法及参数辨识方法。首先将金属橡胶隔振器作为一种非线性振动阻尼系统进行具体分析,介绍了非线性振动阻尼系统及其响应求解方法。随后从金属橡胶元件的工艺制备角度分析了其弹性制备工艺及成型过程中的相对变形量对相对密度和刚度系数的影响情况,从微观角度分析了金属橡胶元件的性能和结构特点。从双折线本构模型出发,建立了金属橡胶隔振器系统的滞迟恢复力模型,根据金属橡胶元件的结构特点将滞后力分解为弹性力和阻尼力(不含记忆环节),利用谐波平德法分析金属橡胶隔振器的固有频率特性和进行分岔现象的预测,根据多项式拟合将模型推导为多项式形式,并进行线性等效,方便了后期的参数分离识别方程的建立。对之前所建立模型表达式进行参数的分离识别,得出所需的各个参数的分离识别模型,然后建立相应的整体识别方程,利用遗传算法迭代求解得出金属橡胶隔振系统的参数,并在同幅不同频、同频不同幅两种情况下做出了比较,得出一些相关规律。
  利用Simulink进行运动微分方程的分析,随后通过正弦扫频试验分别求出了金属橡胶隔振器系统的固有频率、耗能因子、阻尼系数及刚度,并与之前所建立的模型求解结果对比,误差较小,证明了所建模方法和建立模型的正确可靠性。
[硕士论文] 赵磊
水声工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:水声定位系统利用水下目标发出的信号完成对水下目标运动轨迹的测量与显示。水声定位浮标是定位系统的重要组成部分,主要实现了对原始信号的采集、存储以及声学信号处理,并通过无线电与上位机进行通信与数据传输。本论文源于长基线/超短基线组合定位系统,实现了定位浮标处理平台的软硬件设计。
  首先,本论文介绍了所依托的水声定位系统,对该系统的设计原理进行了说明,并阐述了浮标处理平台的整体架构。本论文基于Compact-RIO平台完成了对浮标处理平台应用软件的设计,包括实时处理器软件设计与FPGA模块软件设计。FPGA模块用于信息的采集与处理,主要完成了原始信号的采集与自适应Notch滤波器处理、电池电压与漏水报警信息采集与GPS/北斗定位模块数据采集,并将采集数据与处理数据上传至实时处理器。此外,FPGA软件设计还完成了同步脉冲产生以及值班模式设计。实时处理器软件负责对整个浮标系统进行控制,其主要完成声学处理数据存储与上传、外围信息(GPS/北斗数据、电压与漏水报警数据、方位姿态仪数据)的读取与解析、指令接收与回复等。
  本论文所完成的定位浮标处理平台经历了电模拟器联调与湖上试验,试验结果表明浮标能够很好的实现数据的采集、处理与存储,完成了和上位机的通信与数据传输,显控计算机利用上传的声学处理数据成功显示出水下目标的运动轨迹,其结果证明了本论文所完成内容的可行性和实用性。
[硕士论文] 王玉江
电子与通信工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:光谱成像技术是研究目标物质在不同波长下采集的图像信息和光谱信息,并根据其光谱特征对目标物质进行探测和分析,广泛应用于遥感测量、深空探测等领域。随着光谱成像技术的发展,对其光谱测量范围、光谱分辨率、成像清晰度等要求越来越高。当前采用第四代分光技术的声光可调谐滤光器(Acousto-Optic Tunable Filter,AOTF)被广泛应用于光谱成像系统,AOTF作为光谱成像系统的分光器件,其工作波长范围、光谱衍射效率及分辨率等参数对光谱成像系统的性能起到决定性的影响,因此研究如何提高AOTF性能参数对AOTF的发展具有一定的现实意义。
  AOTF的性能主要受到AOTF驱动电路系统和AOTF内部的超声换能器匹配电路的影响,由此,本文设计了一种高性能AOTF驱动电路以及双路超声换能器匹配电路。AOTF作为功率驱动型器件,按其工作所需功率要求,设计了一种具有一定带宽且功率输出稳定的AOTF驱动电路,其输出功率在50~210MHz带宽范围内稳定在33~35dBm,较好地满足AOTF最佳工作要求。超声换能器作为AOTF重要部件,其在不同频率下具有不同的输入阻抗,当AOTF驱动电路的输出阻抗与换能器输入阻抗失配时会产生能量损耗,导致驱动功率无法最大限度的传递给换能器,从而使AOTF光谱衍射效率降低,影响光谱图像清晰度。为此,通过对超声换能器阻抗频率特性的深入研究,运用滤波器网络匹配理论及射频电路理论,设计了一种频带宽、光谱衍射效率及功率效率高的新型匹配电路。
  在实验测试平台上,对AOTF驱动电路以及双路超声换能器匹配电路进行实验与优化,最终测得AOTF的光谱衍射效率最高达93.9%,光谱带宽小于5nm,双路换能器匹配电路功率效率达到90%以上,提高了在420~1150nm波段范围内的光谱衍射效率及分辨率。最后对光谱成像系统样机进行外景测试,实测目标的成像质量得到明显改善。
[硕士论文] 张镇
力学;一般力学与力学基础 东南大学 2017(学位年度)
摘要:颗粒阻尼减振技术属于振动被动控制技术的一种,它的机理是通过在振动的结构上附加封闭的容器,容器内部填充细小颗粒,利用颗粒与颗粒以及颗粒与容器壁之间的碰撞摩擦来消耗能量。颗粒阻尼减振技术具有减振频带宽,结构简单,耐久性好,易于用高温恶劣环境等优点,已经成功地应用于机械工程减振等领域。然而,由于在容器内部颗粒流的碰撞十分复杂,颗粒阻尼器的阻尼特性很难被预测。因此,颗粒阻尼系统减振特性的研究已经成为国内外学者研究的重要内容。
  论文通过试验和数值模拟两个方面对颗粒阻尼器减振特性进行了研究,在数值模拟中,采用了国内外未曾使用过的基于离散单元法的结构体和阻尼器全系统模拟。
  在试验方面,先进行了基于单自由度悬臂梁的颗粒阻尼试验,研究了填充率、颗粒粒径大小、不同密度的颗粒材料、初始位移以及阻尼器的位置对系统阻尼比的影响;然后对基于单层钢框架的颗粒阻尼试验研究,分析了填充率、阻尼器安装位置以及金属盒形状对阻尼效果的影响。
  在数值研究中,采用基于离散单元法的PFC3D程序对全系统进行了数值模拟。在模拟过程中,把主结构体(悬臂梁、钢框架、金属盒以及固定颗粒)离散成许多非常小的颗粒体单元的密实组合,通过平行连接模型实现固体材料的连续特性;自由颗粒间的相互作用用滑移接触模型描述,接触力计算采用Hertz-Mindlin接触模型。分别进行了单自由度悬臂梁的自由振动,以及钢框架在正弦激励下受迫振动的模拟,研究了颗粒阻尼器的减振特性。
  综合试验和数值研究,获得以下结论:
  填充率选择75%左右较为合理,充分利用阻尼器内部的空间,使得容器内的颗粒与颗粒,颗粒与容器壁之间得到充分的碰撞、摩擦。
  阻尼颗粒应选用密度较大的材料,如碳钢,甚至密度更大的金属。随着颗粒材料密度的增大,系统的阻尼比也随之增加。
  阻尼颗粒粒径的选择与外部激励,也就是初始位移有关,在外部激励较大时,即初始位移较大时,建议采用粒径小的颗粒,在利用碰撞耗能的同时,有效增加摩擦耗能;而在外部激励较小时,应该选用粒径大的颗粒,使得颗粒与容器壁之间的碰撞充分发挥。
  阻尼器的位置应安装在系统振动方向上振幅较大的位置。
  初始位移越大,振幅越大,颗粒间以及颗粒与容器壁之间的碰撞和摩擦越充分,减振效果越明显。
  通过比较不同横截面(圆形和正方形)的阻尼器,在相同总质量、相同粒径、相同材料、相同颗粒数目的情况下进行正弦激励振动试验。采集钢框架在其一阶固有频率处的功率谱密度幅值,颗粒填充数目为100个前,颗粒的运动路径长度对减振效果影响较大,此时圆柱形金属盒内颗粒的运动路径更短,单位时间内发生碰撞、摩擦的次数更多,减振效果更好;而颗粒填充数目超过100个以后,金属盒内的颗粒层高度H对减振效果影响较大,此时,正方形金属盒内颗粒层高度H较小,底层颗粒受到的压力较小,颗粒更容易起振,单位时间内碰撞、摩擦能够得到充分发挥,减振效果更好。
[博士论文] 陈宁
机械工程 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:薄壁结构广泛应用于飞机机舱、船舱、汽车驾驶室等。结构振动产生的噪声是这些交通运载工具的主要噪声来源之一。基于声学性能的结构-声场耦合系统分析及拓扑优化在降低乘座舱噪声、提高乘坐舒适性方面有着极为重要的意义。传统结构-声场耦合系统的数值分析一般是基于确定性系统参数。但在实际工程问题中,由于制造、装配和测量误差,外部载荷的不可预测以及环境条件的变化等,不确定性广泛存在于结构-声场耦合系统中。通常这些不确定性的数值较小,但当这些不确定性因素耦合在一起时,可能导致实际结构-声场耦合系统的响应产生较大的偏差。鉴于不确定性在结构-声场耦合系统存在的普遍性和多样性,以及复合材料在工程实际应用中的广泛性,有必要对结构-声场耦合系统,特别是复合材料结构-声场耦合系统的不确定数值分析进行深入的研究。此外,结构-声场耦合系统的拓扑优化目前主要集中在宏观层面,其材料微结构的拓扑优化研究尚处于起步阶段。通过对微结构单胞实施拓扑优化,可以实现宏观结构总体振动及声学性能的改进,对控制封闭空腔结构内声场噪声具有重要意义。因此,有必要对结构-声场耦合系统材料微结构的拓扑优化开展进一步的探索。
  本文在国家自然科学基金(11572121和11402083)的资助下,对结构-声场耦合系统不确定数值分析与拓扑优化问题进行了深入系统的研究。建立了不同类型的不确定结构-声场耦合系统分析模型,提出了相应的不确定数值分析算法;基于均匀化理论,研究了不确定性因素对周期性复合材料等效性能的影响,构建了多尺度不确定周期性复合材料结构-声场耦合系统的数值分析模型,并提出相应的不确定数值分析算法;考虑多尺度不确定参数的影响,提出了一种多尺度随机不确定周期性复合材料结构-声场耦合系统微结构的稳健性BESO拓扑优化算法。
  本文开展并完成了如下研究工作:
  (1)提出了基于一阶矩阵分解摄动有限元的区间蒙特卡洛法,可用于含有p-box不确定参数的结构-声场耦合系统响应分析。在基于一阶矩阵分解摄动有限元的区间蒙特卡洛法中,通过在0到1之间抽样得到随机数,然后利用随机数与相对应的 p-box变量的累积概率分布函数的交叉点生成区间,再通过一阶矩阵分解摄动有限元得到相应的响应变化范围,最后将所得的响应区间组合成响应的左右累积分布概率函数边界。数值分析结果表明,所提方法能有效计算系统响应的左右累积概率函数边界,并且可以进行基于声学性能的风险和保守可靠性分析。
  (2)提出了混合随机区间摄动法,可用于随机与区间混合不确定和区间随机不确定结构-声场耦合系统的能量流分析。混合随机区间摄动法以一阶Taylor级数展开为基础,首先暂时忽略区间变量的不确定性,采用一阶随机摄动法计算能量向量的期望和方差;再考虑区间变量的不确定性,通过一阶区间摄动法计算能量向量期望和方差的变化范围。数值分析结果表明,混合随机区间摄动法能够有效地计算两种混合不确定模型下系统响应能量流期望和方差的变化范围;与蒙特卡洛法相比,混合随机区间摄动法具有更高的计算效率。
  (3)提出了区间均匀化方法,可用于区间参数周期性复合材料的等效性能分析。区间均匀化方法以区间 Taylor级数展开分析方法和均匀化方法为基础。子区间均匀化方法将区间变量划分为若干个子区间,再采用区间均匀化方法和区间并集运算求解区间参数周期性复合材料等效性能的变化范围。数值分析结果表明,区间均匀化方法能有效计算不确定度较小的区间参数周期性复合材料的等效弹性张量变化范围;子区间均匀化方法可以有效地保证不确定度较大时区间参数周期性复合材料等效性能的计算精度。此外,等效弹性张量的不确定度随着输入参数不确定度的增加逐渐变大,并且远远大于输入参数的不确定度。D12H最容易受输入不确定参数的影响, D11H和D2H2次之, D6H6受输入不确定参数的影响最小。
  (4)提出了基于均匀化方法的区间有限元法,可用于多尺度区间参数周期性复合材料结构-声场耦合系统的分析。基于均匀化方法的区间有限元法通过一阶Taylor级数展开计算多尺度区间参数周期性复合材料结构-声场耦合系统响应的变化范围。数值分析结果表明,基于均匀化方法的区间有限元法仅适用于不确定度较小的多尺度区间参数周期性复合材料结构-声场耦合系统的响应分析。通过引入子区间技术,可以有效保证基于均匀化方法的区间有限元法对多尺度区间参数周期性复合材料结构-声场耦合系统响应的计算精度。
  (5)构建了复合材料结构-声场耦合系统的微结构拓扑优化模型。基于均匀化方法和双向渐进结构优化方法,以微结构单胞的材料分布为设计变量,以耦合系统响应声压级最小化为优化目标,提出了一种周期性复合材料结构-声场耦合系统微结构的拓扑优化算法。研究结果发现,与初始设计相比,微结构拓扑优化设计下的共振频率发生了移动,并且参考点在目标频率处的声压级可以有效降低。
  (6)构建了多尺度随机不确定周期性复合材料结构-声场耦合系统的微结构稳健性拓扑优化模型;提出了一种多尺度随机周期性复合材料结构-声场耦合系统分析方法。将多尺度随机不确定微结构稳健性拓扑优化模型转换为确定性优化模型,以微结构单胞的材料分布为设计变量,以耦合系统声压响应幅值的期望和标准差构建优化目标,提出了一种多尺度随机不确定周期性复合材料结构-声场耦合系统微结构的稳健性BESO拓扑优化算法。研究结果表明,微结构的确定性拓扑优化设计与稳健性拓扑优化设计之间存在一定差异,且稳健性拓扑优化设计结果优于确定性拓扑优化设计结果。
  本文对结构-声场耦合系统的不确定数值分析与拓扑优化方法进行了深入系统的研究。针对不确定结构-声场耦合系统响应分析问题,提出了基于一阶矩阵分解摄动有限元的区间蒙特卡洛法和混合随机区间摄动法;针对区间参数周期性复合材料等效性能分析问题,提出了区间均匀化方法;针对多尺度不确定周期性复合材料结构-声场耦合系统响应分析问题,提出了基于均匀化方法的区间有限元法和基于均匀化方法的随机有限元法;针对复合材料结构-声场耦合系统的微结构拓扑优化问题,提出了一种周期性复合材料结构-声场耦合系统微结构的拓扑优化算法;针对多尺度随机不确定复合材料结构-声场耦合系统的微结构拓扑优化问题,提出了一种多尺度随机不确定周期性复合材料结构-声场耦合系统微结构的稳健性拓扑优化算法。数值分析结果验证了本文方法的有效性,表明本文方法在预测和降低封闭空腔结构内声场噪声上具有良好的工程应用前景。
[硕士论文] 金龙
安全科学与工程 哈尔滨理工大学 2017(学位年度)
摘要:氢氧化镁阻燃材料是一种热稳定性高、安全无毒的新型阻燃材料,广泛应用于建筑防火材料中。其阻燃机理是阻燃剂受热分解时释放结合水,吸收反应释放的热量,延缓材料的热分解同时减低材料的燃烧速率,达到阻燃的目的。由于阻燃剂本身与材料基体的热膨胀系数不同,在服役过程中容易与基体交界处形成柱状裂纹。裂纹的形成造成阻燃剂分解产物形成致密的氧化膜,使得氢氧化镁阻燃剂在受热时难以释放结合水,增大材料的火灾危险性,危害消防安全。现有的研究,主要集中在氢氧化镁阻燃材料的阻燃性能方面,缺少其内部缺陷检测方法研究。针对以上问题,本文对超声波检测氢氧化镁阻燃材料的内部缺陷机理进行了研究,获取阻燃材料缺陷不同参量的超声检测回波信息和声场分布。为有效分析阻燃材料的火灾危险性提供一定的理论依据。对减少火灾蔓延、应急预案的制定以及保障消防安全具有比较重要的意义。
  本文详细分析了缺陷不同位置、不同尺寸、不同顶角角度的仿真参数及边界条件,采用有限元软件COMSOL Multiphysics,实现了超声波检测阻燃材料过程的仿真和内部声场的模拟分析。运用有限元方法建立超声波检测柱状缺陷模型,分析求解超声检测缺陷的回波信息和声场分布。并利用上述仿真方法,分析了不同频段、不同几何参量缺陷的检测情况,获得了较为理想的超声波检测频段范围以及氢氧化镁阻燃材料缺陷检测的回波信息和声场分布。
  实验验证中,考虑到仿真结果,选择符合仿真要求的南京哈元精密仪器有限公司自制的AYUT-8188S型超声波频谱分析及探伤仪,其超声频率及回波信号处理方法完全能满足实验验证要求。对预制内部带有柱状孔隙缺陷的氢氧化镁阻燃材料进行实验研究。与仿真结果对比分析,验证了超声波检测氢氧化镁阻燃材料内部缺陷变化的仿真模拟的正确性。证实了超声波检测对氢氧化镁内部缺陷变化检测的可行性。
[硕士论文] 郭亚强
数学 中北大学 2017(学位年度)
摘要:与标量水听器作对比,矢量水听器具有体积小、一致性好等优点,其制作流程和相关技术同渐成熟,因此关于矢量水听器的研究是未来研究趋势之一;而人工神经网络作为机器学习的代表,是一种自学习、自适应和并行分布的信息处理网络结构。所以,运用人工神经网络来解决矢量水听器的波达方向角估计问题不失为一种良好的选择。
  本文系统地研究了矢量水听器的信号处理,通过模型假设、特征提取、网络构建和仿真实验,有效地验证了本文所提方法在算法复杂度和精确度等方面比其他方法优秀。论文主要成果有:
  1.第三章介绍了基于粒子群算法优化BP神经网络的矢量水听器的DOA估计。在文中详尽的叙述了适合矢量水听器的信号特征提取方法,将提取的信号特征作为神经网络的输入,网络模型则选用对数据具有非线性拟合能力的PSO—BP网络。通过仿真实验比较,说明该方法不仅特征提取方法简便,精度和算法运行时间都优于其他文献算法。
  2.第四章阐述了基于果蝇算法优化广义回归神经网络的矢量水听器的DOA估计。首先介绍了果蝇优化算法和广义回归神经网络的工作原理,然后探讨了果蝇算法是如何优化广义回归神经网络。仿真实验结果表明,本章所构建的网络模型与其他文献方法相比,结构简洁,来波方向精度更高,运行时间更短。
  关于矢量水听器的研究是一个复杂的问题,未来仍需大量的深入研究工作,真挚地希望本文能对矢量阵列信号处理技术的研究和发展有所帮助。
[博士论文] 周权
检测技术与自动化装置 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:气侵检测是石油钻井安全中的一个重要组成部分,也是当前石油天然气开采井控安全研究领域的一个研究热点。传统气侵检测方法基于井口钻井液流速变化,检测结果延迟性较高;而基于井下参数的最新气侵检测方法则需要对旧的钻井工艺设备进行更新,成本较高,难以快速应用。针对深海钻井,在泥线处通过非介入式流量计进行气侵检测的方法是目前成本较低,实时性较强的一种可行方案。本文在此基础上,对泥线处使用超声波进行非侵入式气侵检测的理论及方法进行了全面研究。根据研究层次的不同,本文主要包括气侵检测理论方法,检测应用方案以及验证实验三个方面。
  在检测理论方法上,本文提出基于连续型超声波流速,空隙率以及气侵检测的一套完整的理论及方法。首先根据气侵模型,垂直管道内气液多相流以及超声波相关理论,对连续超声波在环空管内泥浆与甲烷多相流中的传播特性,反射特性,多普勒效应等进行了分析。然后根据波形转换理论以及板波相关理论,从理论上推导了环空管管内泥浆中反射体反射的超声波信号能够在入射管壁时生成板波,并且板波的幅度与反射超声波入射角度相关。基于这些理论分析的结果,结合不同流型状态下气泡分布,流体中质点速度分量分布,接收超声波信号与超声波入射,反射角度,距离,衰减特性等多方面因素构建了一种基于均匀分布的连续超声波反射模型。通过该模型将接收到的反射信号幅度,频谱与环空管内流体流速,空隙率,流型建立确定性关系,并推导出了相应的数学表达式。最后根据这些理论基础,提出了一套基于板波检测对深海钻井过程中泥线处环空管内泥浆及气液两相液的泥浆流速,空隙率的超声波检测算法。同时提出了一个先利用流速,空隙率变化来对气侵进行初步判定,然后根据接收信号频谱形状识别流型变化来进行气侵检测的两级气侵预警检测方法。最后通过泥浆中的固相岩石碎屑与气泡在超声波反射特性,密度,形变特性上的不同进行了总结,对固相与气相进行区分的可行性进行了分析,提出以基于气泡与固相颗粒在形变特性上的区别,从而通过流型变化来进行区分的检测方法。
  在检测应用方案上,提出了分别基于单检测设备以及多检测设备的一套完整的气侵检测综合应用方案。该方案包括了检测装置安装方法,通信方式,气侵分级报警检测算法,硬件设计与软件设计等各个方面。其中气侵分级检测算法综合了流速,空隙率以及流体流型检测三方面的检测结果,并且在逻辑上依据气侵过程对检测结果进行了分级验证。通过不同的报警级别,将检测算法在实时性与准确性上进行了很好地平衡。
  在实验验证方面,本文设计了清水以及泥浆两套气侵模拟实验平台。其中清水实验平台设计有透明观察窗口,用于对本文所提出的基础理论与方法进行了验证。在清水实验平台中,本文设计了空管实验,检测位置以及塑料小球等实验,验证了板波的存在性,以及其频谱与管内流体中反射体速度,大小之间的确定性关系。同时也间接验证了本文所提出的检测模型的正确性。而泥浆模拟实验平台能够实现定量加气以及压力的精确控制。在泥浆实验平台上本文设计了流速实验,空隙率实验,以及对甲烷气侵过程进行模拟的溶解与析出实验。其中流速实验结果显示,本文所提出的流速检测方法能够对泥浆流速进行精确检测,测量结果与靶式流量计(介入式)的最大相对误差<10%,而空隙率实验结果显示本文所提出的检测方法能够有效检测空隙率在3%以上的气侵情况。溶解与析出实验中首先向循环管道中流量定量天然气,然而再通过精确的加压与降压控制,对气侵过程中甲烷气体在泥浆中溶解与析出,气体体压缩与膨胀过程进行了真实的模拟。通过在模拟过程中,检测信号的幅度以及流型变化对本文所提出的气侵检测方法的有效性进行了验证。最后对本项目实验过程中的一些特殊现象进行了阐述与说明,并对实验过程中所存在的问题与不足提出了未来研究的研究方向与解决思路。
[硕士论文] 戴维栋
光学工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:海洋资源的开发与领海权益保护日益受到国家的重视,水声技术是当前研究和探索海洋的主要手段。水听器作为水声探测的核心部件,其性能的好坏决定了整个系统性能的优劣。光纤矢量水听器具有性能可靠且易于复用等优点,但也存在裸光纤灵敏度不足且光纤本身较为脆弱等缺点,如何有效的改善这些缺点同时提高探测灵敏度和工作频带宽度是当下的研究热点。
  本文从光纤光栅法布里-珀罗(FBG-FP)腔的光谱特性出发,深入探讨了光纤FBG-FP的传感性能,并结合薄壁空心刚性圆柱结构理论,建立了光纤FBG-FP矢量声波传感理论模型,仿真与实验分析了传感器的加速度灵敏度与谐振频率受结构参数的影响。采用数字化相位生成载波(PGC)解调方法,搭建全光纤矢量水听器系统,实现了高灵敏度矢量声波探测。本文的主要工作有:
  1.开展了FBG-FP腔光谱特性研究。分析推导了光纤光栅(FBG)以及由其构成的法布里-珀罗(F-P)腔的光传输特性和反射光谱特性,设计了基于非平衡迈克尔逊干涉仪的相干检测光路并提出了抗随机相位衰落和消偏振衰落的方案。依据弱反射FBG-FP传感原理推导了系统干涉条纹的可见度函数,仿真分析了光谱、光程失配对光路相干性的影响。为实现高灵敏度的矢量声波探测系统奠定了基础。
  2.建立了薄壁圆柱的同振型光纤矢量声波敏感结构理论模型。仿真分析了芯轴材料、结构参数对矢量声波敏感探头的加速度灵敏度和频率特性的影响。通过优化参数,设计、制作了多个声敏感探头,并分别进行了加速度灵敏度和频率特性测试实验。实验结果表明:通过增加惯性元件质量、减小圆柱壳壁厚、增加柱体高度可有效提升探头加速度灵敏度。
  3.开展了数字化 PGC解调方案与信号处理算法研究,仿真验证了全数字化信号处理算法的可行性。提出了波分复用结合低反射率FBG-FP的全光纤矢量水听器系统方案,分析了矢量声波信号探测原理,并实验验证了光纤矢量水听器的指向性,其垂直方向上的加速度灵敏度差值为-25 dB。
  4.搭建了全光纤矢量水听器系统,并设计了矢量水听器测试系统。开展了水听器指向性、灵敏度、频率响应等性能测试实验。实现了0.2-2 kHz的矢量声波探测,其加速度灵敏度为28 dB re rad/g。并实验测试了矢量水听器系统在二维平面内的指向性能。
[硕士论文] 张成
控制科学与工程 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:随着规模化、集约化畜禽养殖场饲养密度的增加,养殖环境变得恶劣、导致畜禽疾病频繁发生。传统的依靠人工观察判断畜禽疾病的方法已是力不从心,为此利用先进的科学技术建立畜禽疾病预警机制,就成为畜禽健康养殖的一个重要研究方向。从目前的研究现状来看,利用传感器技术、计算机技术和无线网络技术相结合的方法来实现畜禽疾病的自动化预警,已成为一个研究热点。同时,饮食行为是畜禽的基本行为,畜禽的饮食行为与畜禽的健康状态紧密相关。因此利用畜禽的饮食行为判断畜禽疾病,已成为人们研究中关注的热点。
  针对以上问题,提出了“基于超声波测距的定位方法与基于定位的猪只异常行为判断方法”。首先设计一种基于超声波测距的实时位置感知系统,然后利用此系统对猪只的位置信息进行实时采集,进而通过位置信息获取猪只饮食行为特征,并通过猪只饮食行为的异常特征来判断猪只的健康状况。本文的研究内容主要包括以下几个方面:
  (1)针对猪只位置检测问题,设计了一种基于超声波测距的位置感知系统,该系统采用超声波技术和射频技术相结合的方式,利用到达时间差(TDOA)法测量未知节点与参考节点各接收器之间的距离,继而根据最小二乘定位算法对未知节点的位置进行解算。为提高测距精度和定位精度,对基于TDOA测距的误差来源进行了系统分析,并提出温度补偿和误差模型修正的方法修正测距误差,提高了猪只位置检测的精度。
  (2)针对猪只位置检测结果实时显示的问题,设计了基于 LabVIEW平台的轨迹显示界面,将解算得到的猪只位置坐标值打包成数据簇的形式,利用LabVIEW中的XY图进行显示。为消除异常数据对检测结果的干扰,提出限幅滤波的方式,根据连续两次数据的差值来判断是否保留本次数据,同时根据系统布局大小和经验得到限幅阈值ε,提高了显示系统的稳定性。
  (3)针对猪只异常行为的判断问题,提出了基于饮食行为次数与持续时间的猪只异常判断方法。首先依据猪只活动习性划分猪舍区域,通过采集猪只位置参数来统计猪只饮食行为的次数和饮食持续时间;其次根据养殖经验和观察对饮食行为状态作出初步异常等级判断;然后通过统计饮食次数对猪只异常情况作出综合整体评价。
[硕士论文] 刘尧弟
机械工程 南昌航空大学 2017(学位年度)
摘要:在对工程结构减振降噪的研究中,附加阻尼材料的方式已得到广泛应用,工程结构有不同的性能需求,过于僵化的优化目标未必能得到最优的阻尼材料铺设布局;且对结构材料及质量有特殊要求的工程领域中,对原结构本身减振方法的寻求仍不可忽略。基于以上问题,本文提出约束阻尼结构及无阻尼结构在不同优化目标下的最优拓扑优化算法,分析大纲如下:
  (1)通过对双向渐进法(BESO)在结构拓扑优化中的发展历程总结,阐述了该方法在结构拓扑优化领域的优越性,总结了该算法现存的弊端。双向渐进法对最优拓扑构型的寻优方式使其具有高效性,但优化过程中易出现构型更新停滞问题。基于以上问题,提出了在结构优化流程中单元删除率和添加率新的定义方式,有效抑制了震荡循环现象,且进一步提高了优化效率。
  (2)基于虚功原理构建了约束阻尼结构动力学有限元模型,推导出约束阻尼结构的模态参数表达式并求解了模态阻尼比和模态损耗因子灵敏度算式;建立以模态阻尼比最大化为优化目标的数学模型,通过算例,结果构型的模态阻尼比得到提升,优化过程流畅无震荡,对比不同算法下的模态参数变动幅度,以及结果构型合理性,验证了改进的双向渐进法的有效性。
  (3)构建无阻尼结构的动力学有限元模型,推导出无阻尼结构的振动微分方程,求得无阻尼结构的模态参数表达式并求解了频率、位移及刚度灵敏度算式;建立以结构体积最小为优化目标,以结构固有频率约束以及位移约束为限制条件的多目标拓扑优化模型。通过算例,改进的双向渐进优化算法下,无阻尼结构前三阶频率均得到提升,在频率约束下所得的拓扑构型频率曲线变动平缓,实现了频率约束目标,验证了该算法对多目标优化的有效性。
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