噪聲載荷

相關背景

結構在隨機振動載荷作用下會產生隨機振動。寬頻、中高頻隨機振動載荷可以激發起結構的多數模態參與振動，在某些頻率上產生足夠大的應力，從而導致結構的高周疲勞失效。這類問題最典型的代表是航空飛行器結構(飛機及發動機)中的聲疲勞問題。聲疲勞是結構在聲載荷的激勵下，因結構中快速交變應力作用，致使結構產生疲勞破壞的現象。這種快速交變應力是由噪聲激勵引起結構振動而產生的。噪聲對結構的作用本質上是一種空間分布的，並且具有一定頻率分布特性的動態隨機壓力載荷。這種載荷超過一定量值後，如聲壓級超過140dB，便可能對結構產生較大激勵，特別是當噪聲的頻率分布特性和結構的動態特性相近時，結構就會產生顯著的應力回響。在這種動態應力的長時間作用下，如同一般的振動疲勞問題一樣，結構上應力集中和其他缺陷部位就會產生疲勞裂紋直至發展為疲勞破壞。這就是所謂的結構聲疲勞問題。如果聲壓級超過180dB時，還可能產生足以導致結構迅速破壞的高強聲載荷。航空發動機是一個非常強大且複雜的噪聲源，處於這種寬頻帶高能級聲激勵環境中的構件極易發生高頻疲勞。

聲激勵作用下的結構振動應力研究是聲疲勞分析的基礎，因此在航空發動機結構設計過程中進行引起聲疲勞的隨機振動應力估算是進行抗聲疲勞設計的重要組成部分。因此開展聲激勵作用下薄壁殼體構件的應力回響估算具有重要意義。

研究現狀

飛行器在飛行過程中，聲源在運動，飛行器的飛行速度，飛行姿態和發動機的功率狀態都在變，因而，聲源強度、飛機位置以及不同幾何關係等所有的量都在隨時間變化。

薄壁結構在噪聲載荷下的動態回響分析，目前較為普遍採用的研究方法如下:

1)數值積分法

2)有限元素方法

3)模態疊加分析法

4)統計能量分析方法(SEA)

蘇志敏等對噪聲載荷作用下結構動力學回響有關的數值積分法、有限元素法、模態分析法及統計能量分析(SEA)法等研究方法進行了詳細總結。目前對噪聲載荷下薄壁結構的隨機振動回響的研究工作主要分為兩步:1)確定噪聲的載荷;2)估算噪聲激勵作用下薄壁結構動態回響。

費志中、李輝榮、張冬梅等套用多種方法對複合材料層合板在噪聲載荷作用下的力學回響進行了分析。A.G. Radu等提出一種降階模型基於MSC.NASTRAN程式對熱聲禍合激勵下的飛機面板組件進行疲勞壽命預測和動態回響分析。V. Crupi提出一種將不同的結構失效模型相統一的分析方法，並用該方法對結構的阻尼進行分析，建立了材料的內部阻尼與高周疲勞極限之間的聯繫。Robert W. Gordon和Joseph J. Hollkamp指出對結構進行聲載荷回響預測時如果忽略結構與聲介質之間的禍合作用會帶來很大的誤差，同時針對聲回響預測提出一種改進方法，該方法利用結構/聲系統禍合復模態將模型降至低階，並且通過該方法預測了聲/固禍合系統的非線性隨機回響。Adam J. Culler開發了一種流熱固禍合分析方法進行瞬態氣動加熱和波動壓力(包括邊界層湍流和發動機噪聲共同激勵產生的波動壓力載荷)禍合載荷下的回響預測，通過該方法對C/C高超聲速飛行器蒙皮壁板進行準靜態和動態回響分析。R. Perez等論證了一種熱彈性降階模型(thermoelastic ROMs )，利用該模型對熱載荷和聲載荷下的各向同性面板和功能梯度材料面板進行幾何非線性回響和溫度回響分析，結果表明，該模型的分析結果與有限元法分析結果有很好的一致性。

對於功能材料，賀爾銘、胡亞琪等人利用ANSYS有限元方法對FGM進行了不同條件下的分析。楊智春、高揚等基於Marguerre曲板理論、von Karman大變形理論和氣動力活塞理論建立超音速氣流中三維複合材料曲臂板的有限元模型。分析了不同邊界條件下複合材料曲臂板的曲率對顫振邊界特性的影響規律。對於超音速飛行器的壁板顫振分析，Bein等人通過蓋勒金方法和偏微分方程，得到了薄板顫振模態禍合的非線性方程，通過歐拉方程得到的結果與三階活塞理論中得到的進行比較，符合結果很好。蘇睿、呂高輝、朱紅紅等研究了含缺陷複合材料層合板的疲勞問題，並沒有聲載荷;於鋒禮、沙雲東、唐金等研究了噪聲載荷下金屬材料的疲勞。

噪聲來源

飛機在飛行過程中，噪聲來源主要有以下幾種:1.動力系統工作產生的噪聲，如噴氣噪聲、渦輪風扇及壓氣機噪聲、螺旋槳噪聲等;2.飛行中空氣動力產生的噪聲，如附面層壓力脈動、空腔噪聲、分離流噪聲、激波振盪噪聲等;3。武器系統發射產生的噪聲。

聲疲勞問題

噪聲疲勞，也稱聲疲勞，是飛機結構在使用過程中經常遇到的一種疲勞損傷，是結構在聲載荷的激勵下，因結構中快速交變應力作用，導致結構產生疲勞破壞的現象。這種快速交變應力是由噪聲激勵引起結構振動而產生的。對由聲激勵載荷引起結構的振動發展而來的聲疲勞技術和由結構振動輻射到周圍介質的聲能發展來的聲輻射技術圈的研究，是現在航空航天領域研究的兩大課題。從結構使用的可靠性角度出發，聲疲勞問題更加突出。

作用在飛機薄壁結構上的噪聲載荷在時間和空間上是隨機分布的。當這種載荷的量值相對較小時，尚不會對結構產生影響;但隨著聲載荷量值的增大，結構上就會產生一定的分布應力回響:特別是當噪聲的頻率分布特性和結構的動態特性互相禍合時，結構就會發生顯著的應力回響。在這種動態應力的長時間作用下，就如同一般的振動疲勞問題一樣，在結構上應力集中或其它缺陷部位處會產生疲勞裂紋直至發展為疲勞破壞。這就是所謂的結構疲勞問題。

實踐表明，不論是軍用還是民用飛機，在使用中都會常常出現各種類型的聲疲勞破壞現象。其中大多數表現為:各種翼面蒙皮及機身側壁蒙皮裂紋、掉鉚釘，甚至發展到相應的翼肋和機身環框裂紋;進氣道內蒙皮裂紋、掉鉚釘和相關結構損壞;燃燒室及機尾結構在噴流熱噪聲聯合作用下產生的各種破壞現象等。儘管一般認為，這類問題可以被早期發現、修理，不可能導致重大的飛行事故。但如果不在設計、研製中較好的解決這一問題，仍將會給飛機使用帶來極大的不方便並將付出可觀的維修費用。此外，產生結構疲勞的部位，由於存在強烈的噪聲和振動，往往會引起鄰近安裝的機載設備系統的失靈及其它破壞現象，影響到機載設備的可靠性和飛行安全。

分析方法

噪聲載荷下結構的疲勞壽命分析方法

飛行器結構噪聲的疲勞研究涉及到聲學工程、材料特性、機械振動、生產工藝、疲勞等相關學科領域，其研究的範圍主要包括噪聲特性分析、噪聲源、結構的聲疲勞特性分析、結構聲疲勞試驗技術研究、結構動力學特性分析及其最佳化設計等。

目前，國內外對飛機薄壁結構的聲疲勞問題做了一些研究，主要有兩個己知的聲疲勞壽命評估算法。第一個是時域分析，利用周期計數的數值方法，即雨流循環計數方法，涉及較長的應力時間歷程，統計需考慮應力的峰值或谷值，計算疲勞損傷和結構的使用壽命，但該方法非常耗時費力。另一個是基於所謂光譜的頻域分析方法，其中不規則的應力回響建模為一個隨機過程。基於光譜的方法利用解析公式關聯的雨流循環分布，疲勞損傷與疲勞壽命的功率譜密度的過程。相比於疲勞壽命評估時間域的方法，尤其是在結構設計階段更容易且更快。另外，頻率域聲疲勞計算可以用功率功率譜密度(PSD)在隨機載荷與回響之間建立一個線性傳遞函式。除理論方法外，大量的實驗歸納總結出多種算法並套用到工程實際中。

對於飛行器結構進行聲疲勞分析，一般程式如圖所示。

結構聲疲勞分析的一般程式

研究方法

薄壁結構在聲載荷下動態回響的研究方法

確定方法

噪聲載荷的確定是研究聲激勵下薄壁結構動態回響的前提。然而，實際過程中的噪聲是隨空間和時間隨機變化的，因此實驗測量成為確定噪聲的主要方法。關於噪聲載荷的研究，北京航空航天大學的周盛教授、孫曉峰教授、王同慶教授等對此都作了大量的工作，同時也取得了很大的成績。瀋陽航空工業學院的盛元生教授和瀋陽航空發動機設計研究所的有關專家對發動機燃燒室的噪聲進行了多次測量，奠定了認識燃燒室噪聲場的基礎。

實際過程中由於某些結構的複雜性和工作環境的特殊性，僅僅通過實驗測量的數據不足以代表結構件本身的噪聲載荷。因此必須與理論分析相結合，通過必要的假設模擬出整個結構的噪聲載荷情況，即建立符合實際的噪聲載荷模型。

動態回響

由於薄壁結構受到的聲載荷是一個隨機載荷，加上其內部不但有平面聲波而且還有高階聲模態，這就使得求解隨機載荷對薄壁結構回響問題變得非常複雜。國內外許多學者在這方面作了大量的理論與實踐研究。目前較為普遍採用的主要研究方法如下：

(1)模態疊加分析法

模態疊加分析法是研究時不變線性系統隨機振動回響的有效方法，它是將系統的回響表示成各模態回響的加權和，也就是各模態對於系統回響的貢獻量的疊加。Miles是最早套用模態疊加分析方法做此項研究的學者之一。隨後Powellclarkson，也都提出了自己在這方面的研究觀點。

(2)數值積分法

套用數值積分法研究隨機振動的動態回響也很受人們的關注，它主要是通過一些數學方法對回響進行時域或頻域上積分而獲得最後的結果。其中Monte Carl。法是時域積分法中經常使用的一種方法。時域Monte Carl。法，可以用來解決非線性系統隨機激勵回響。它可以用於解很多具有機率性質的問題，廣泛套用於解非線性、非勻質和時變材料特性、非平穩、非均勻輸入等問題。

(3)統計能量分析方法(SEA)

統計能量分析(SEA)方法是運用能量流關係式對複合的、諧振的組裝結構進行動力特性、振動回響級及聲輻射的理論評估。主要是套用此方法估算高頻區域的聲激勵回響。陝西機械學院的馬建敏等人用統計能量分析(SEA)法研究了在高頻寬頻隨機噪聲場中板及加筋板(航空航天用蒙皮)的加速度回響。

(4)有限元素方法

現今越來越多的人利用有限元素法來解決工程中的許多問題，這也包括了薄壁結構在噪聲載荷下的振動回響問題。有限元素法是根據變分原理求解數學物理問題的一種數值方法。其力學基礎是彈性力學，而方程求解的原理是採用加權殘值法或泛函極值原理，實現的方法是數值離散技術，最後的技術載體是有限元分析軟體。一般而言，其基本思想為:結構離散、單元分析、總剛集成、載荷移植、約束處理及求解方程組。儘管利用有限元素法來分析問題存在以下不足:一是實際結構的簡化模型及其邊界條件的模擬不能做到完全反映實際情況;二是其對計算機硬體和有限元分析軟體依賴過大。但是由於其理論和分析軟體隨著計算機發展的巨大進步，人們對其的偏愛也愈發明顯了。由此可以肯定有限元素法將會成為今後解決有關薄壁結構振動回響的主流方法。