基于级数变换法的椭圆柱壳受迫振动分析

张冠军， 朱翔， 李天匀

(华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074)



基于级数变换法的椭圆柱壳受迫振动分析

张冠军， 朱翔， 李天匀

(华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074)

由于椭圆柱壳周向曲率的变化，壳体振动方程中状态变量的系数是关于周向曲率的变系数，造成振动方程在周向波数域内不解耦，为求解带来困难。本文基于Flügge壳体理论推导出椭圆柱壳体的受迫振动方程，采用波传播法将椭圆柱壳位移以双Fourier级数形式展开，周向曲率以单Fourier级数形式展开，通过级数变换将变系数的偏微分方程组转换为周向波数相互耦合的有限阶常系数线性方程组，通过求解耦合方程得到椭圆柱壳受迫振动下的位移响应。通过与数值仿真及已有文献结果进行对比，验证了本文方法的准确性，同时具有较高的求解效率。通过对影响壳体振动的主要参数进行分析，得出激励力沿长半轴方向激励的输入功率流较小，沿短半轴方向激励的输入功率流较大；椭圆度对壳体输入功率流的影响主要在低频域；壳厚比减小，椭圆柱壳输入功率流峰值向低频偏移且幅值增大。

椭圆柱壳；受迫振动；椭圆度参数；输入功率流；级数变换法；Fourier级数

随着加工技术的进步，椭圆柱壳在潜器、航空航天、管道输送等领域的应用日益增多。相比于圆柱壳结构，椭圆柱壳在潜器、航空器仓容及设备布置上具有更大优势，椭圆形管道相对于方形管道断面湿周面积小，密闭性更好，相对于圆形管道占用高度空间小。另一方面，即使是针对原设计的圆柱壳结构，由于制造加工工艺及深水压力等因素的影响，其横截面也无法保证为一个完美的圆形，不可避免地存在各种几何缺陷，可能会产生不可忽略的椭圆度等偏差[1]。因此，研究椭圆柱壳的振动特性具有重要意义。

目前在结构工程领域对圆柱壳体的振动特性研究较为全面，而对于椭圆柱壳振动方面的研究还相对较少，且大多关注于椭圆柱壳的自由振动。由于椭圆柱壳周向曲率的改变导致其振动方程是一个变系数的偏微分方程组，成为椭圆柱壳研究的难点，多年来学者们采取各种近似处理方法进行退化或借助于数值解法进行求解，退化等近似处理方法误差较大且计算范围受限，数值解法其方程又颇为繁琐，不便求解，对于椭圆柱壳振动机理的研究还很不充分。Klosner最早运用摄动解法对椭圆柱壳自由振动特性进行了研究，但其方法仅适用于椭圆度较小的情况，应用范围受到限制[2-3]。Sewall利用实验法对椭圆柱壳的自由振动进行了分析，将实验中具有最大椭圆度的椭圆柱壳的固有频率与圆柱壳进行了对比，发现椭圆柱壳的固有频率比圆柱壳下降了将近 40%[4]。Shirakawa等则将椭圆截面视为两段圆弧组合而成，使用圆柱壳的方程来建立椭圆壳体的控制方程，但形式过于复杂，含有大量高阶偏微分形式(最高阶偏导达到了八阶)，不便应用[5]。Khalifa[6]采用传递矩阵法研究了嵌入非均匀地基上的各向异性椭圆柱壳的自由振动特性，但传递矩阵法受单元传递矩阵的计算精度、传递矩阵连乘过程中的累积误差以及计算机的舍入(或截断)误差影响，状态向量在传递过程中会产生一定的精度损失[7]。Tornabene等利用有限元微分法研究了复合材料椭圆柱壳的自由振动特性[8]。对于椭圆柱壳声振特性的研究，由于解析方法存在较大困难，已有文献大多采用数值仿真方法。张盛等用有限元软件对包括具有初始椭圆度在内的几种含有几何制造误差的圆柱壳的声振特性进行了仿真分析和计算[1]。倪樵等采用有限元/边界元法计算了深水中复合材料椭圆柱壳的的辐射声功率以及壳体表面、近场和远场声压，但文中并未讨论与圆柱壳声辐射特性的差异及椭圆度参数对其声辐射特性有何影响[9]。最近石焕文等采用有限元/边界元方法研究了不同类型的激励和模型结构参数对两端带有封盖的椭圆柱壳模型声振特性的影响规律[10]。Zhang提出用于求解圆柱壳的固有频率，后来该方法广泛用于求解板壳结构的振动[11-12]，陈美霞等采用波传播法研究了不同激励力对圆柱壳的受迫振动特性[13]，李天匀等则采用波传播法研究了静压下锥柱结合壳的自由振动特性[14]，江丰采用波传播法研究了流体粘性对水下圆柱壳振动特性的影响[15]，叶文兵基于波传播法研究了自由液面对水下圆柱壳声振特性的影响[16]。

本文采用波传播法将椭圆柱壳位移以双Fourier级数形式展开并结合Marguerre[17]对于非圆截面曲率半径的处理方法对椭圆柱壳的受迫振动方程进行了推导，提出了采用级数变换法将变系数的偏微分方程组转换为周向波数相互耦合的有限阶常系数线性方程组，克服了变系数偏微分方程组求解的困难，系统研究了激励力位置、壳体椭圆度及壳体厚度对椭圆柱壳输入功率流的影响。

1 研究对象

引入下列无量纲坐标：

(1)

图1 椭圆柱壳几何参数及坐标系Fig.1 Geometry parameters and coordinate system of elliptic cylindrical shell

2 基本理论推导

2.1 壳体中的位移及内力基本关系

根据Flügge薄壳理论[18]，壳体的几何方程为

(2)

式中：εx和εs为壳体中面内各点的线应变，γxs为剪应变，κx，κs和τ代表了中面内各点主曲率及扭率的改变。

壳体的物理方程为

(3)

式中：K=Eh/(1-μ2)为壳体的拉压刚度，D=Eh3/12(1-μ2)为壳体的弯曲刚度，Nx、Ns分别为x和s方向单位宽度上的面内力，Nsx和Nxs为平面内单位宽度上的剪切力，Mx、Ms和Mxs、Msx分别为单位宽度上的弯矩和扭矩。

壳体的动力平衡方程为

(4)

式中：Qx和Qs分别为x和s方向单位宽度上的横剪力，F为壳体法向受到的外力，外法线方向为正。

整理式(4)，可得到一组新的动力平衡方程：

(5)

将方程组(2)、(3)代入方程(5)中，可得到矩阵形式表达的关于位移变量的动力平衡方程：

(6)

式中各算子Lij(i，j=1，2，3)表达式如下：

2.2 外激励力表达式

设柱壳在点(x0，s0)处受到简谐点激励载荷：

F(x，s，t)=F0δ(s)δ(x)exp(iωt-iklx)

(7)

式中：F0表示作用在(x0，s0)处的集中力幅值。当在椭圆柱壳上作用多个集中点激励力时，将式(7)中的s改写为sj(j=0，1，2，…)。式(7)中，令x=0，s=s0得：

F(x，s，t)=F0δ(s0)δ(0)exp(iωt)

(8)

对于对称位移模式，将其展开成周向波数叠加的形式：

(9)

(10)

对式(10)进行正交化处理可得

(11)

对于反对称位移模式：

(12)

式中：ξn为与周向波数n相关的系数：

2.3 真空中椭圆柱壳体的受迫振动方程

为求解方程(6)，需将各算子Lij(i，j=1，2，3)转变为常系数的偏微分形式，则需要给出椭圆柱壳截面的曲率半径r(s)的具体表达式。Marguerre[17]首先提出了用傅里叶级数表示非圆截面曲率半径的方法。随后Romano等将Marguerre的方法进行了简化[19]，只取傅里叶级数的前两项来表示椭圆截面的曲率半径，其无量纲化表达式为

(13)

ε=3Q-36/35Q3

(14)

(15)

(16)

式中：l是频散方程中轴向波数解的序号，n是周向波数，kl为壳体的轴向波数，Ul，n、Vl，n、Wl，n分别为对应于周向波数n的壳体轴向、周向和径向的位移Fourier幅值系数。

将方程(13)和(15)代入到平衡方程(6)中(周向反对称振型时则将方程(16)代入方程(6))，通过级数变换可将方程(6)中的变系数转变为常系数，得到三个关于Ul，n、Vl，n、Wl，n沿周向波数相互耦合的新的方程：

(17)

方程(17)中的位移幅值Ul，n、Vl，n、Wl，n关于不同周向波数n相互耦合成无穷多个线性方程，需对方程组进行截断求解，即对n进行截断选取。

当n取有限项p时，可以得到3p个线性方程，并写成矩阵形式：

[M-Ω2I]X=F

(18)

其中，

X=[Ul，0Ul，1Ul，2…Ul，p-1Vl，0Vl，1Vl，2…Vl，p-1Wl，0Wl，1Wl，2…Wl，p-1]-1；对于对称位移形式：

[0 0 0… 0 sin (s0) sin(2s0)…sin((p-1)s0)]-1。

M为3p阶方阵，由方程(17)中的系数循环迭代而成，I为3p阶单位矩阵，X和F均为3p阶列向量。

由方程(18)可得

X=[M-Ω2I]-1F

(19)

则壳体位移幅值系数Ul，n、Vl，n、Wl，n可由方程(19)得到。

3 壳体输入功率流

根据振动功率流的定义，因外激励力呈简谐变化，故位移响应和速度响应均呈简谐变化，设

(20)

(21)

则：

(22)

因此，可以求得外力输入到结构的振动功率流为

(23)

为便于比较，将输入功率流无量纲化为

(24)

将振动功率流进行级运算可得

(25)

式中：W0=1×10-12W。

3.1 算法收敛性及准确性验证

由式(23)可知，要计算结构在外力作用下输入功率流，必须计算其中的无穷积分，而由于被积函数在对应于传播波的实轴上的奇点处的值为无穷大，这样积分便不能进行。这里采用文献[20]中所采用的加阻尼数值积分法，这种方法是指在求解积分时，沿着复波数域的纯实轴进行数值积分，而为了避免积分中奇点的出现，引入阻尼因子η，将材料的杨氏模量变为复模量，即E′=E(1-iη)。本文采用十点高斯积分法处理式(23)中的无穷积分。

对周向波数n的截断选取进行收敛性分析，壳体输入功率流随周向波数的变化如图2所示，壳体无限长，材料密度为ρ=7 800 kg/m3，杨氏模量为E=2.1×1011Pa，泊松比为μ=0.3，壳体厚度为h=0.01 m，中面半径r0=1 m，纵波波速CL=5 200 m/s，点激励力幅值F0=1N，无量纲频率Ω=3，阻尼因子取η=0.01。

图2 输入功率流随周向波数的收敛性曲线Fig.2 Convergence curves of input power flow with circumferential wave number

从图2中可以看出，当椭圆度较小时，计算结果收敛所需的截断项数相对要少，当椭圆度较大时，则需取更高的截断项数以保证结果的准确性，但相差不大。随着截断项数的增加，计算结果的精度会更高，但过多的截断项数会导致计算效率的降低，从图中可以看出，在周向模态n=40下，不同椭圆度时椭圆柱壳的输入功率流均趋于稳定，在本文计算中取n=40。

为了验证本文计算方法及程序的可靠性，在本文方法中令椭圆柱壳椭圆度ε=0，将其退化为圆柱壳，与已有文献[20]的无限长圆柱壳结果进行对比，结果如图3(a)所示。同时选取有限长椭圆柱壳与有限元法(finiteelementmethod，FEM)结果进行了对比(椭圆柱壳长度L=100m，椭圆度ε=0.5，其他参数如文献[20])，对比结果如图3(b)所示。对于椭圆柱壳有限元模型，为满足每个振动弯曲波波长内至少6个单元，则单元尺寸约为0.06m，单元数量为180 036个。同时还列出了采用本文算法和文献[20]及有限元法所需计算时间的对比，如表1所示。

由图3可见，本文计算结果与文献[20]结果和FEM结果均吻合很好，说明本文计算方法及程序准确可靠。本文计算方法中将不同周向波数的系数矩阵耦合成一个矩阵，不需要采用周向波数的循环叠加，相较文献[20]计算速度更快，计算时间约为文献方法的1/6。FEM方法在计算频率较高时，单元离散数量和计算时间均大幅增加，相较于数值仿真方法，本文方法依然具有较高的计算效率，计算时间约为FEM方法的1/50。

图 3 本文结果与文献[20]和FEM结果对比Fig.3 Results of this paper compared with the Ref[20] and FEM results

Table 1 Computing time of different calculation methods min

3.2 激励力位置对结构输入功率流的影响

对于椭圆柱壳，截面各处的曲率沿周向是变化的，激励力施加在壳体截面不同位置也将对壳体的振动特性产生影响。本节研究了激励力分别施加在s为0、π/4、π/2位置对壳体输入功率流的影响，激励力位置如图4所示，不同激励力下的输入功率流如图5所示。壳体椭圆度ε=0.5，其他模型参数如上文。

图4 不同激励力周向的位置Fig.4 Different exciting force positions in circumferential direction

从图5可以看出，激励力施加在不同位置对椭圆柱壳的输入功率流有明显的影响：在低频段(Ω<1)，激励力施加在s=0的位置壳体输入功率流相对较小，施加在s=π/2的位置输入功率流相对较大，主要由于在s=0的位置，壳体截面曲率较大，局部刚度相对也较大，激励点的位移响应较小，因此输入功率流也较小，而在s=π/2的位置，壳体截面曲率较小，局部刚度相对较小，响应较大，则输入功率流也较大。而在中高频段(Ω>1.5)，激励力施加在各位置点输入功率流差异较小，激励力施加在s=0的位置输入功率流略大，施加在s=π/2的位置输入功率流略小，主要由于在中高频段，壳体振动弯曲波波长较短，壳体曲率对结构振动弯曲波传播和振动响应的影响降低。

3.3 椭圆度对结构输入功率流的影响

椭圆柱壳的椭圆度大小不同，对椭圆柱壳的结构刚度、振动特性等影响也不相同，因此本节研究了椭圆度对椭圆柱壳输入功率流的影响，同时也与圆柱壳(即椭圆度ε=0)作了对比，激励力位置取s=0。图6给出了不同椭圆度下椭圆柱壳的输入功率流随频率变化。

由图6可以看出，不同椭圆度下椭圆柱壳的输入功率流曲线在总体趋势上有一定的相似性：输入功率流随频率的增大而不断出现峰值，峰值对应的频率差异较小，输入功率流随频率变化的总体趋势是先增大后趋于平稳。但椭圆度对椭圆柱壳的输入功率流也有一定影响：在无量纲频率Ω<1，椭圆度越大则壳体的输入功率流越小，主要是因为激励力在s=0处，椭圆度越大则壳体局部曲率较大，相对刚度也较大，因此响应和输入功率流会变小。同时，由于在低频段壳体振动波波长较大，椭圆度对振动响应的影响较明显，而较高的频率范围内(Ω>2)，壳体振动波波长较短，曲率影响较小，椭圆度对壳体输入功率流的影响也较小。

3.4 壳厚比对结构输入功率流的影响

半径及壁厚作为椭圆柱壳的主要参数，研究其对椭圆柱壳振动特性的影响是必要的。由于本文采用了无量纲化参数，半径及壁厚的影响可以用无量纲化的壳厚比h/r0替代，因此，本节研究了不同壳厚比对椭圆柱壳输入功率流的影响。图7给出了不同壳厚比椭圆柱壳的输入功率流随频率的变化曲线。

图5 不同激励力位置下椭圆柱壳输入功率流Fig.5 Comparison of input power flow with different exciting force positions

图 6 不同椭圆度下椭圆柱壳输入功率流对比Fig.6 Comparison of input power flow with different ellipticities

图 7 不同壳厚比椭圆柱壳输入功率流对比Fig.7 Comparison of input power flow with different thickness ratios

由图7可以看出，椭圆柱壳壳厚比的改变对输入功率流的大小及峰值频率均有明显影响，当壳厚比减小时，输入功率流的峰值向低频偏移且较为明显，说明壳厚比减小，椭圆柱壳的刚度降低，周向波数对应的频率降低；当壳厚比减小时，结构的输入功率流增大，说明壳厚比减小，椭圆柱壳抗振能力降低。壳厚比的改变对椭圆柱壳输入功率流最大值对应频率没有明显影响。

4 结论

本文采用级数变换法将变系数的椭圆柱壳偏微分方程组转换为周向波数相互耦合的有限阶常系数线性方程组，通过求解得到椭圆柱壳受迫振动下的位移响应，分析了激励力位置、椭圆度ε和壳厚比h/r0对壳体输入功率流的影响，得到结论：

1)本文计算方法将振动方程不同周向波数的系数矩阵耦合成一个矩阵，不需要采用周向波数循环叠加，计算速度更快，相比于数值仿真方法，本文方法的计算效率也较高。

2)椭圆柱壳的输入功率流与激励点的位置有关，相同载荷作用下，激励沿着长半轴方向激励的输入功率流最小，沿着短半轴方向激励的输入功率流最大。

3)椭圆度对壳体输入功率流的影响主要在低频域，当激励沿着长半轴时，椭圆度越大则壳体的输入功率流越小，在高频域振动波波长变短，椭圆度引起的曲率变化对输入功率流的影响减弱。

4)壳厚比减小，椭圆柱壳输入功率流峰值向低频偏移且幅值增大；壳厚比的改变对椭圆柱壳输入功率流最大值对应频率没有明显影响。

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Forced vibration analysis of elliptic cylindrical shell based on the series transformation method

ZHANG Guanjun， ZHU Xiang， LI Tianyun

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China)

Due to its varied circumferential curvature， the coefficients of the state variables in the vibration equations of the elliptic cylindrical shell also vary with the circumferential curvature. Vibration equations are difficult to solve because they are coupled in the domain of the circumferential wave numbers. We derived the forced vibration equations of the elliptic cylindrical shell based on the Flügge shell theory. We then expanded the displacements of the elliptic cylindrical shell in the form of the double Fourier series using the wave propagation method and expanded the circumferential curvature in a single Fourier series. We then converted the partial differential equations with variable coefficients into a set of linear equations that were coupled to each other with respect to the circumferential wave numbers. We obtained the forced vibration responses of the elliptic cylindrical shell by solving the coupled equations. The results show good agreement with published and FEM results. In addition， our method has higher calculation efficiency. Through the analysis of the influences of the main parameters on the vibration of the elliptic cylindrical shell， we can draw the following conclusions: the input power flow is smaller when the exciting force is activated along the semi-major axis， and the input power flow is larger along the semi-minor axis. The influence of the ellipticity on the input power flow is mainly in the low-frequency domain. The peak of the input power flow has a lower frequency and the amplitude also increases with a decrease in the shell thickness ratio.

elliptic cylindrical shell; forced vibration; ellipticity parameter; input power flow; series transformation; Fourier series

2015-11-26.

日期：2017-03-20.

国家自然科学基金项目(51379083，51479079，51579109)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20120142110051).

张冠军(1989-)， 男， 博士研究生； 李天匀(1969-)， 男， 教授， 博士生导师.

李天匀，E-mail：ltyz801@hust.edu.cn.

10.11990/jheu.201511067

O327； U663

A

1006-7043(2017)04-0506-08

张冠军， 朱翔， 李天匀.基于级数变换法的椭圆柱壳受迫振动分析[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2017， 38(4): 506-513.

ZHANG Guanjun， ZHU Xiang， LI Tianyun. Forced vibration analysis of elliptic cylindrical shell based on the series transformation method[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(4): 506-513.

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170320.1107.002.html