本发明属于结构振动建模，具体涉及一种声学黑洞管道结构的振动建模方法及系统。
背景技术：
1、随着工业化和城市化的迅猛发展，管道系统在各种工业应用和基础设施中扮演着重要的角色，如供水、排水、输油、输气等。然而，管道系统在运行过程中产生的噪音问题日益显著，引起了人们的广泛关注。为了解决管道系统噪音问题，已经开发出了各种消声技术，包括吸声材料、吸声器、波导消声器、阻尼器、声学黑洞管道等。其中，声学黑洞管道作为一种新型的消声结构，相较于传统结构有着吸声性能更高、尺寸和重量较小，适用性广以及可维护性高等优点。研究此类结构的声振特性规律对管道消声设计具有十分重要的指导意义。其中，声学黑洞管道的振动模型对结构的声振响应有着直接影响。准确的振动模型有助于深入理解结构的振动行为，也是建立可靠的声场和结构场之间的复杂耦合模型的基础。因此，声学黑洞管道结构的振动建模对于分析结构的声振特性至关重要。
2、此外，声学黑洞管道结构通常是由管道和按照幂指数减小的顺序排布的一系列环形肋片组成的复杂耦合结构。目前大多采用有限元法预测其声振响应。然而，有限元法在处理复杂的耦合结构时需要划分大量网格，这导致在计算此类中声振问题时无法同时保证计算精度和计算效率。因此，迫切需要一种新的声学黑洞管道结构建模方法，以克服传统技术的不足之处，并提供同时满足计算精度和效率需求的解决方案。
技术实现思路
1、本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种声学黑洞管道结构的振动建模方法及系统，将能量法与区域分解法结合以实现声学黑洞管道结构的振动的精确建模和求解。这种方法具有适用任意经典边界条件和任意耦合边界、计算效率高、收敛速度快等特点。在领域内具有巨大的潜力。
2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种声学黑洞管道结构的振动建模方法，包括以下步骤：
3、s1、对声学黑洞管道结构进行划分，得到若干管道单元和肋板单元，并对所述管道单元和所述肋板单元进行编号；
4、s2、对所述管道单元和所述肋板单元进行建模，基于一阶剪切变形理论，获得声学黑洞管道结构的位移场函数；
5、s3、根据所述位移场函数获得声学黑洞管道结构的能量泛函；并基于所述能量泛函获得声学黑洞管道结构的振动控制方程；
6、s4、求解所述振动控制方程，得到声学黑洞管道结构的自由振动固有频率及振型。
7、进一步优选地，所述位移场函数包括：
8、
9、式中，u、v、w分别表示局部坐标下结构母线s，周向θ以及法向z方向的位移；t表示时间变量；u0、v0、w0分别表示在壳体中性面处三个方向的位移；φs和φθ分别表示沿s轴和θ轴的转角。
10、进一步优选地，所述能量泛函包括：
11、
12、式中，u表示应变能；t表示动能；ubc表示贡献能量；ucoupling表示耦合能量；δ表示变分运算；t1、t2为任意给定时间；wf表示外部激励所做的功；wa&p表示流固耦合面上外部流体对结构表面所做的功。
13、进一步优选地，所述振动控制方程包括：
14、(k-ω2m)x＝0，
15、式中，k和m分别表示声学黑洞管道结构的广义刚度矩阵和质量矩阵；x表示广义位移向量；ω表示求解频率。
16、本发明还提供一种声学黑洞管道结构的振动建模系统，所述系统用于应用上述方法，包括：划分模块、建模模块、计算模块以及求解模块；
17、所述划分模块用于对声学黑洞管道结构进行划分，得到若干管道单元和肋板单元，并对所述管道单元和所述肋板单元进行编号；
18、所述建模模块用于对所述管道单元和所述肋板单元进行建模，基于一阶剪切变形理论，获得声学黑洞管道结构的位移场函数；
19、所述计算模块用于根据所述位移场函数获得声学黑洞管道结构的能量泛函；并基于所述能量泛函获得声学黑洞管道结构的振动控制方程；
20、所述求解模块用于求解所述振动控制方程，得到声学黑洞管道结构的自由振动固有频率及振型。
21、进一步优选地，所述位移场函数包括：
22、
23、式中，u、v、w分别表示局部坐标下结构母线s，周向θ以及法向z方向的位移；t表示时间变量；u0、v0、w0分别表示在壳体中性面处沿结构母线s，周向θ以及法向z三个方向的位移；φs和φθ分别表示沿s轴和θ轴的转角。
24、进一步优选地，所述能量泛函包括：
25、
26、式中，u表示应变能；t表示动能；ubc表示贡献能量；ucoupling表示耦合能量；δ表示变分运算；t1、t2为任意给定时间；wf表示外部激励所做的功；wa&p表示流固耦合面上外部流体对结构表面所做的功。
27、进一步优选地，所述振动控制方程包括：
28、(k-ω2m)x＝0，
29、式中，k和m分别表示声学黑洞管道结构的广义刚度矩阵和质量矩阵；x表示广义位移向量；ω表示求解频率。
30、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
31、本发明将能量法与区域分解法相结合，将声学黑洞管道结构划分为多个子结构，并通过耦合条件将它们整合成整体结构的振动控制方程，从而高效解决声学黑洞管道结构振动建模的方法。本发明所提供的方法适用于各种边界条件和声学黑洞曲线，为自由振动分析问题提供了有效解决方案。本发明所提供的方法具有高计算效率、快速的收敛速度和广泛的适用性，可以更高效地分析和模拟声学黑洞管道结构的振动特性，为工程和科学领域提供了有力的工具。
1.一种声学黑洞管道结构的振动建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种声学黑洞管道结构的振动建模方法，其特征在于，所述位移场函数包括：
3.根据权利要求1所述一种声学黑洞管道结构的振动建模方法，其特征在于，所述能量泛函包括：
4.根据权利要求1所述一种声学黑洞管道结构的振动建模方法，其特征在于，所述振动控制方程包括：
5.一种声学黑洞管道结构的振动建模系统，所述系统用于应用权利要求1-4任一项所述方法，其特征在于，包括：划分模块、建模模块、计算模块以及求解模块；
6.根据权利要求5所述一种声学黑洞管道结构的振动建模系统，其特征在于，所述位移场函数包括：
7.根据权利要求5所述一种声学黑洞管道结构的振动建模系统，其特征在于，所述能量泛函包括：
8.根据权利要求5所述一种声学黑洞管道结构的振动建模系统，其特征在于，所述振动控制方程包括：
