舰船低频水下辐射噪声数值计算方法对比研究

针对舰船在低频域内考虑流固或声固耦合作用的振动与声辐射计算问题,探讨了流固耦合与声固耦合动力学方程的等效性条件及两者差异,同时指出流固耦合方程与声固耦合方程在水下辐射噪声计算中不可联立求解或关联求解,进而结合国内研究现况归纳出舰船水下辐射噪声四种数值计算方法。以某小水线面双体船(SWATH)为例,采用声功率作为评价标准,比较各类方法在建模难度、求解规模、计算精度和效率等方面的优劣。研究表明,四种数值算法的计算结果均能满足工程需要,但采用声固耦合分析模式计算低频域水下辐射噪声较流固耦合分析模式在计算精度上有一定程度的提高。推荐声固耦合分析模式的耦合间接边界元(IBEM)方法为舰船水下声辐射数值预报首选方法,可为国内舰船水下辐射噪声计算提供参考与建议。     

一种含内部结构的水下圆柱壳振动声辐射计算方法

为解决含内部结构的水下圆柱壳振动声辐射快速预报问题,提出一种解析-数值混合方法.将整个结构分为水下圆柱壳和内部结构两部分,采用轴对称边界元法得到圆柱壳表面声阻抗,结合Flügge壳体理论,建立水下圆柱壳的数理模型;采用有限元法建立内部结构的动力学模型.根据圆柱壳与内部结构接触点的位移协调和内力平衡条件,建立整个结构的动力学方程,求解方程得到壳体表面振动速度,再采用边界元法得到声场中任意一点的辐射声压.通过与数值软件计算结果对比,验证了本文方法的正确性.本文方法在改变内部结构进行多方案对比分析时具有显著的计算速度优势.     

水下结构声辐射时域数值分析法研究

采用有限元和无限元相结合的方法,对水下加筋圆柱壳结构的声辐射进行了数值计算.首先利用ANSYS软件建立声振模型,并在时域内计算流固耦合振动,给出可用于声学分析的数据文件;再利用SYSNOISE软件采用无限元法在时域内计算辐射声场,并将计算结果与实验值进行了对比.结果表明,提出的在时域内进行水下结构声辐射的计算是切实可行的,为水下结构声辐射仿真研究提供了新的方法.     

水下结构声辐射时域数值分析法研究

采用有限元和无限元相结合的方法，对水下加筋圆柱壳结构的声辐射进行了数值计算。首先利用ANSYS软件建立声振模型，并在时域内计算流固耦合振动，给出可用于声学分析的数据文件；再利用SYSNOISE软件采用无限元法在时域内计算辐射声场，并将计算结果与实验值进行了对比。结果表明，提出的在时域内进行水下结构声辐射的计算是切实可行的，为水下结构声辐射仿真研究提供了新的方法。     

内部含基座的加筋双层壳振动与声辐射计算

研究内部含基座的加筋双层壳振动声辐射问题.壳体的振动方程用Flügge壳体理论描述,壳体与基座结构通过接触面上离散的节点耦合,基座对壳体的振动传递力用有限元方法计算,然后将其引入壳体振动方程,最后求解双壳体声-流体-结构耦合方程,计算结果用辐射声功率和表面振动均方速度级的形式表示.结果表明:基座降低了壳体的振动及声辐射,增加基座面板厚度以及基座长度均能有效降低壳体的辐射噪声,这对水下结构的减振降噪设计具有重要的指导意义.     

内部含基座的加筋双层壳振动与声辐射计算

研究内部含基座的加筋双层壳振动声辐射问题。壳体的振动方程用Fltigge壳体理论描述，壳体与基座结构通过接触面上离散的节点耦合，基座对壳体的振动传递力用有限元方法计算，然后将其引入壳体振动方程，最后求解双壳体声一流体一结构耦合方程，计算结果用辐射声功率和表面振动均方速度级的形式表示。结果表明：基座降低了壳体的振动及声辐射，增加基座面板厚度以及基座长度均能有效降低壳体的辐射噪声，这对水下结构的减振降噪设计具有重要的指导意义。     

水中含分层损伤复合材料层合板的声特征值研究

本文采用复合材料结构有限元和可压缩流体边界元耦合分析方法,研究了重流体介质(Heavy Fluid)中含层间分层损伤复合材料层合板结构的声特征值问题。在建立分析模型时,对完整与受损层合板结构采用有限元方法离散;而针对水中结构声辐射的特点,对可压缩流体介质中声压力场进行边界元离散,在此基础上讨论了含层间分层损伤复合材料层合结构的动力声特征值问题。文中给出的典型算例结果与参考文献结果吻合较好。同时以内含层间椭圆型分层损伤的复合材料层合板为典型结构,在重流体介质中探讨了影响结构声特征值的因素,本文工作为评判含层间损伤对其动力特征值的影响提供了一种有效的计算方法,而且也为含损伤复合材料层合结构声透射和辐射奠定了研究基础。     

基于涡声理论的水下射流噪声预报

湍流噪声是潜艇重要的水下噪声源.以水下自由湍射流为例,探讨其噪声机理和预报方法,构造了Powell涡声理论和CFD方法相结合的算法.首先讨论了Powell涡声方程和Howe的涡声方程的解法;作为算例,用CFD软件FLUENT中标准k-ε计算湍射流场,以此作为近场声源;随后,运用Powell涡声和Howe的涡声方程理论对远场噪声谱进行预估,给出了辐射噪声指向性比较,并分析了自由射流场声辐射机理.     

基于ABAQUS声固耦合法的水下结构声辐射研究

文章旨在探讨ABAQUS声崮耦合算法在模拟水下结构声辐射问题的可行性.基于ABAQUS声固耦合算法对双层圆柱壳的水下噪声辐射特性进行了计算和分析,并把部分计算数据和实验数据进行对比分析.结果表明:ABAQUS在水下结构声辐射特性数值分析问题上可以取得较好的效果,计算值与实验数据基本吻合,满足工程要求,为水下结构声辐射性能研究提供了一种新的分析方法.     

加肋圆柱壳舱段水下声辐射试验研究

根据模型与实艇舱段结构的声学相似关系，将模型测量的激振力、壳体加速度到水中辐射噪声的传递函数换算到实艇，利用这个传递函数可以根据实艇测量的激振力以及振动加速度预报艇体辐射噪声。采用通用程序进行了模型水下声辐射计算，将计算结果与测量结果进行对比，两者在I／3oct频带范围能够符合，但频谱结构差别仍然较大，这表明采用目前已有数值分析手段，可以对加肋圆柱壳舱段结构水下辐射噪声性能进行初步估算，要获得较准确的结果仍然需要进行模型试验。模型结构水下声辐射试验在水库中完成。     

基于声学无限元法的加筋圆柱壳声振特性研究

以无限长圆柱壳体为研究对象,基于声学无限元法利用数值计算方法对其结构外声场进行分析,对加筋圆柱壳的振动和远场水下噪声特性进行研究,讨论外壳厚度、内壳厚度、托板厚度、型材尺寸等结构参数对壳体表面振动均方加速度级及远场辐射声压级的影响。结果表明:改变外壳厚度参数对其表面振动均方加速度级及远场辐射声压级影响最大。     

基于粘弹性阻尼层随机性的自由阻尼层板的振动和阻尼分析

本文基于粘弹性阻尼层的随机性用Monte Carlo直接抽样法对自由阻尼层板的振动和阻尼进行了分析研究。分析中随机变量取正态分布。针对不同的阻尼层厚度分别考察了复弹性模量的实部、虚部、材料的损耗因子的影响。考察了整体性和局部单元性阻尼导厚度的影响。结果表明,粘弹性材料弹性模量的随机性对结构固有频率的影响不大,对模态损耗因子影响较大;不论是整体的还是局部单元的,阻尼层厚度的随机性对模态损耗因子的影响很显著。因此粘弹性阻尼层的随机性对抑制结构共振响应和声辐射的影响是较大的。阻尼层厚度局部单元随机性影响表明了对阻尼结构采用随机分析的必要性。     

水下航行体舱段结构声学设计模型分析

采用基于模态坐标的有限元/边界元方法,建立水下航行体封闭舱段声学设计模型,利用该耦合分析模型对两端采用刚性圆板封闭的简支舱段结构的振声性能进行分析,并与采用半无限长圆柱形刚性障板代替两端的刚性圆板时的舱段模型计算结果作比较,指出除了少数耦合模态的固有频率附近,当外层圆柱壳周长相对流体中声波波长较小时,采用刚性圆板封闭的两端简支双层加筋圆柱壳与两端采用半无限长圆柱形刚性障板代替刚性圆板时的声辐射规律十分相近。     

Fluid-structure coupled analysis of underwater cylindrical shells

Underwater cylindrical shell structures have been found a wide of application in many engineering fields, such as the element of marine, oil platforms, etc. The coupled vibration analysis is a hot issue for these underwater structures. The vibration characteristics of underwater structures are influenced not only by hydrodynamic pressure but also by hydrostatic pressure corresponding to different water depths. In this study, an acoustic finite element method was used to evaluate the underwater structures. Taken the hydrostatic pressure into account in terms of initial stress stiffness, an acoustical fluid-structure coupled analysis of underwater cylindrical shells has been made to study the effect of hydrodynamic pressures on natural frequency and sound radiation. By comparing with the frequencies obtained by the acoustic finite element method and by the added mass method based on the Bessel function, the validity of present analysis was checked. Finally, test samples of the sound radiation of stiffened cylindrical shells were acquired by a harmonic acoustic analysis. The results showed that hydrostatic pressure plays an important role in determining a large submerged body motion, and the characteristics of sound radiation change with water depth. Furthermore, the analysis methods and the results are of significant reference value for studies of other complicated submarine structures.     

环肋、舱壁和纵骨加强的无限长圆柱壳在水下的声辐射特性

本文建立了有环肋、舱壁和纵骨的无限长圆柱壳在水下声辐射的一般的计算模型,利用Fourier变换和模态展开法导出了圆柱壳振动响应和辐射声压在波数域的计算公式,并由稳相法得到了远场辐射声压的解析公式,分析了纵骨、舱壁和阻尼等因素对声辐射的影响,为准确计算双层圆柱壳在水下的振动和声辐射特性奠定了基础.     

多层声学覆盖层复合的有限长弹性圆柱壳声辐射特性研究

针对水下双层圆柱壳内外壳体各表面敷设隔声阻尼层的情况,建立了有限长多层复合加实肋板的双层圆柱壳水下声辐射计算模型.对模型采用模态展开法,系统考虑壳体与隔声层和实肋板耦合,外表面声学覆盖层作用和外部声场耦合,并以状态矢量对应的矩阵形式导出复合壳体辐射声功率的计算表达式.数值计算了隔声阻尼层和外场声学覆盖层层参数,实肋板参数和壳体阻尼对模型辐射声功率的影响.研究结果表明:有实肋板时阻尼层的降噪量最高接近15dB,实肋板的声短路作用限制了隔声阻尼层的降噪效果;双层隔声阻尼层比单层隔声阻尼层降噪效果好3-4dB.外场声学覆盖层受实肋板影响较阻尼层小,其降噪量达10dB左右.     

功率流有限元法结果分析辐射噪声

使用"功率流有限元法"(PFFEM)分析结果发展声辐射预测程序."功率流有限元法"是一种预测任意形状结构中高频振动能量密度和强度的新方法,而边界元法可用于声辐射预测.两者结合可以进一步计算远场辐射声压.用此程序,对水下复杂结构-点力激励下潜艇的振动和声辐射特性进行了预测,获得了良好效果.     

加筋圆柱壳结构振动与辐射噪声关系分析

采用传递函数法和声传递矢量(ATV)得到了加筋圆柱壳从结构测点加速度到声场测点声压的声辐射传递函数,以及结构测点加速度到辐射声功率之间的传递函数。通过对两个加筋圆柱壳结构的振动与辐射噪声关系的数值分析,讨论了结构测点加速度与辐射噪声之间的相互关系,结果表明结构测点加速度与辐射声功率和辐射声压之间并非单调关系。     

一种识别声源噪声辐射区域的方法

针对大型结构体的声辐射问题,提出了一种利用声辐射模态识别声源表面的噪声辐射区域的方法。分析了各阶声辐射模态对声源的辐射声功率的贡献量,找出了对远场辐射声功率贡献最大的几个主要的声辐射模态,然后利用这几个主要的声辐射模态重建声源表面法向振速,通过声源表面法向振速的重建结果实现了声源表面噪声辐射区域的识别。通过对平板声源在几种不同频率下的噪声辐射区域的仿真分析验证了文中方法的正确性。该文方法对于确定特定频率下声源表面的噪声辐射区域,从而进一步进行辐射噪声控制具有积极的意义。