《大規模結構-聲學耦合問題的高精度快速計算方法研究》是依託上海交通大學，由吳海軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：大規模結構-聲學耦合問題的高精度快速計算方法研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：吳海軍
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
當結構振動和外部聲場的相互影響不容忽視時，需要建立耦合分析的方法才能精確計算此類結構-聲學問題。但現有方法由於耦合理論及求解效率和精度的限制，無法滿足大規模複雜結構-聲學耦合問題對快速精確計算的要求。本課題擬建立一套理論清晰、算法穩健高效的大規模結構-聲學耦合分析理論和高精度快速計算方法。首先發展考慮耦合效應的聲輻射模態理論，研究結構-聲學的耦合聲輻射特性，建立一種具有半解析聲學表達式的結構-聲學快速耦合計算方法；另一方面，發展光滑有限元法的稀疏矩陣快速求逆技術，研究自適應展開法和多極子快速傳遞算法，以及基於高階單元的精確耦合算法，發展基於聲輻射模態的高效預處理技術，從而建立基於光滑有限元法和快速多極子邊界元法的結構-聲學高精度快速計算方法。最後，進行實驗測量，驗證所發展的耦合理論和計算方法的正確性。本課題研究成果可為重大裝備設計中的結構-聲學耦合分析提供高精度的快速計算方法。
結題摘要
大型設備如潛艇和飛機艙壁等的殼體結構振動會向周圍流體輻射聲波,反之流體聲場的動壓力也作用於結構，影響結構振動。因此，結構振動與媒質中聲場之間的耦合不容忽視。解析方法對於這些大型複雜設備的噪聲定量預測是無能為力的，實驗分析則成本高周期長，數值計算是分析大型複雜結構-聲學耦合問題的不二選擇。本項目發展了結構和聲學的等幾何理論和計算方法，減少模型的離散誤差，提高結構和聲學單獨分析的計算精度；針對邊界元方法係數矩陣數值計算時，記憶體大和效率低的缺點，發展了基於多層矩陣壓縮技術的快速邊界元方法，提出將多極子理論和矩陣壓縮技術有機結合的新型高效快速邊界元方法；在流固耦合分析上，正在開展有限元方法與非奇異線性邊界元方法的耦合理論及計算方法研究，提高耦合面上不同介質物理量插值精度。 （1）建立了模型設計和分析的統一的幾何描述方法，即等幾何分析方法，開發了基於B-Spline和NURBS等幾何分析的c++程式庫。 （2）發展了的二維、三維彈性靜力學、動力學和聲學分析的等幾何有限元方法，完成了高精度有限元法、邊界元法理論和算法的開發。 （3）將全頻段快速多極子邊界元方法推廣到多聯通聲學問題的求解，如多孔吸聲材料的設計、水下結構聲學探測及生物組織中聲學特性模擬等，實現了基於邊界元方法的耦合聲學問題求解框架，建立了結構-聲學耦合問題（有限元法/邊界元法）的分析框架。所建立的有限元和快速邊界元耦合算法及映射聲輻射模態理論，解決了傳統分析方法在計算精度、效率上的缺陷，被成功用於某企業商用壓縮機殼體加筋位置和某型號潛艇阻尼布局的聲學最佳化。壓縮機殼體的成功拓撲聲學最佳化，提高了產品的競爭力，實現了良好的經濟效益。潛艇阻尼布局聲學最佳化、燃氣輪機輻射噪聲預報及雙體船水下結構聲固耦合分析的成功嘗試，充分顯示了所建立的計算理論和方法的重大意義和廣闊套用前景。
