基于Abaqus的舷间充水双层壳体水下声辐射计算方法验证

利用双层弹性球壳及加肋圆柱壳的算例验证Abaqus软件对带有舷间水体的水下结构声辐射计算方法。用Python语言编制了球形场点的辐射声功率计算程序,对结构振动加速度、场点声压和辐射声功率进行了比较。计算结果表明,双层球壳的场点声压与辐射声功率的解析解与Abaqus软件的计算结果吻合较好;双层加肋圆柱壳的Abaqus软件的计算结果与三维水弹性声辐射计算方法的结果存在一定的峰值频率偏移,但计算反映的趋势及曲线峰值吻合较好。在经过验证后,该方法可用于水下带舷间水体的复杂结构的声辐射评估。     

不同模型及不同载荷形式对单层圆柱壳声振特性的影响分析

螺旋桨轴系激励作用下水下航行器的尾部结构会产生低频辐射噪声,针对尾部结构的声振特性开展研究很有必要。本文以水下加肋圆柱壳为对象,采用有限元耦合声学边界元计算了加肋圆柱壳的辐射声功率,针对尾部噪声分析的3种模型:整体三维模型,尾部三维模型+首部梁模型的混合模型,尾部截断模型,分析讨论3种不同模型处理方法对声辐射特性的影响。结果表明采用尾部截断模型计算辐射声功率时在低频段与整体三维模型的误差较大,混合模型在趋势上与整体三维模型吻合较好。对比尾端部不同方向激励力对环肋圆柱壳声辐射特性的影响,结果表明横向和垂向激励对环肋圆柱壳的辐射声功率没有影响,但是对远场声压指向性有较大影响。     

螺旋桨/轴系激励下圆柱壳结构低频辐射噪声模式

将潜艇简化为圆柱壳模型,以采用结构有限元耦合流体边界元方法所获得的圆柱壳结构振动响应为输入,通过波数谱展开的方法给出圆柱壳辐射声功率波数谱和与各阶环向振动相对应的辐射声功率。针对各螺旋桨/轴系激振力工况,对与各阶环向振动相对应的辐射声功率进行对比分析,获得螺旋桨/轴系激励下圆柱壳的低频主辐射噪声模式。对圆柱壳的辐射噪声模式分析表明,对轴向激振力工况,柱壳的噪声辐射模式以呼吸辐射模式和弯曲辐射模式为主;对侧向激振力和垂向激振力工况,柱壳的噪声辐射模式以弯曲辐射模式为主。结论可为壳体噪声控制提供方向。     

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FEM/BEM法的内部声激励水下圆柱壳声辐射计算

联合有限元法和边界元法对流场中的圆柱壳点声源激励下的声辐射作了数值计算。利用有限元软件ANSYS分析了加筋圆柱壳的模态，然后将模态导入采用边界元软件SYSNOISE，计算了加筋圆柱壳结构在点源激励下的声辐射，预报了圆柱壳的内外场声压，得到了圆柱壳的声辐射功率曲线。     

基于有限测点的单层圆柱壳辐射声功率计算

文章从结构振动模态与声辐射模态的概念出发,研究了两端简支单层圆柱壳振动模态与声辐射模态的耦合关系。在此基础上,利用模态扩展构造一个模态滤波矩阵,从有限个结构测点测量数据中得到结构的声辐射模态参与系数,进而计算结构的辐射声功率;并利用矩阵条件数对结构测点布置数目与位置进行了研究。数值算例表明:这种测点布置方法与结构辐射声功率的计算方法是可行的,这为该领域的理论分析和工程应用提供了一定的参考。     

圆柱壳结构模型水下辐射声功率测量方法研究

利用柱形封闭包络面测量圆柱壳结构模型的辐射声功率,不同包络面测量得到的辐射声功率的最大偏差约为2dB左右.分析了测点数量与测量结果的关系,如果声场测点选取可表征整个声场分布,其测量精度在接受的范围内,且提高了数据处理效率.模型受激振动产生的水下辐射声场分布比较均匀,可选取较少测点进行测量.     

欠定盲分离方法预报水下双层圆柱壳辐射声场

水下双层加筋圆柱壳振动和辐射声场的预估对其噪声控制具有重要意义.以此为出发点,基于双层加筋圆柱壳干模态叠加原理,运用欠定盲分离方法,实现了有限数目测点预报结构振动和辐射声场的目的,并用数值方法对预报结果的有效性进行了验证.结果表明,欠定盲分离方法可以对水下双层加筋圆柱壳辐射声场进行预报,并且该预报方法对测点的位置、选取的模态阶数没有严格的要求,所需要的测点数目也较少,有很好的适用性.     

流场中变截面加筋柱壳结构声振特性分析

基于传递矩阵法给出了流场中变截面加筋柱壳结构在受集中力和声压作用下振动与声辐射的求解过程,并在确定模态截断算法有效性的基础上开展对结构振动特性的研究,分析了环板-圆柱壳加筋柱壳结构的损耗因子、流体介质、壳体厚度、环肋数目对其声振特性的影响。结果表明,流体介质的存在使结构振动减小,辐射声压增加;损耗因子增加,振动和辐射声压在中高频段降低;壳体厚度增大,壳体的振动响应减小,低频段辐射声压降低,高频段辐射声压交叉波动;环肋数目增加,结构振动减小,在中高频段,辐射声压降低。     

流场中变截面加筋柱壳结构声振特性分析

基于传递矩阵法给出了流场中变截面加筋柱壳结构在受集中力和声压作用下振动与声辐射的求解过程,并在确定模态截断算法有效性的基础上开展对结构振动特性的研究,分析了环板-圆柱壳加筋柱壳结构的损耗因子、流体介质、壳体厚度、环肋数目对其声振特性的影响.结果表明,流体介质的存在使结构振动减小,辐射声压增加;损耗因子增加,振动和辐射声压在中高频段降低;壳体厚度增大,壳体的振动响应减小,低频段辐射声压降低,高频段辐射声压交叉波动;环肋数目增加,结构振动减小,在中高频段,辐射声压降低.     

焊接残余应力对环肋圆柱壳水下声辐射影响研究

文章重点研究了焊接残余应力对环肋圆柱壳水下声辐射的影响。通过运用热弹塑性有限元法数值模拟环肋圆柱壳对接焊接过程,得到厚板环形焊缝的三维残余应力场和应变场,然后对含有残余应力的环肋圆柱壳动力特性进行研究,并运用有限元法和边界元法分析了低频激励下其水下声辐射的特点。研究结果表明焊接残余应力对环肋圆柱壳声辐射有较明显的影响,不仅使声辐射功率曲线和外场声压曲线向低频移动,而且使在大部分激励频率上含有焊接残余应力结构的声辐射功率和外场声压均大于无焊接残余应力结构。     

敷设阻尼材料的圆柱壳声辐射性能实验分析

对有限长的敷设阻尼材料的加筋双层圆柱壳进行振动和声辐射实验，测量壳体的结构响应和水中的辐射声压。对全部敷设隔声去耦材料、内壳全部敷设隔声去耦材料、外壳全部敷设以及外壳部分敷设四种工况下的近场声压进行对比，分析单频激振时内外壳体的振动特性，表明托板在内外壳的振动传递中起着较大的作用，内外壳全部敷设隔声去耦材料对抑制振动和声辐射很有效。     

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。     

基于映射声无限元法柱壳振动声辐射特性分析

基于径向形函数可任意变阶的映射声无限元法,对加筋双层圆柱壳的振动声辐射特性进行分析.取无限长圆柱壳体为研究对象,基于映射声无限元法,通过数值计算法对其辐射声场进行研究分析;并将其数值结果与解析解进行对比分析,结果显示二者吻合较好,验证了本文方法的可行性,同时发现此方法具有计算精度好、效率高等优点.在此研究基础上,基于映射变阶声无限元法,对加筋双层圆柱壳的内壳振动特性和远场声辐射特性进行分析,分别讨论内外壳厚度、型材尺寸和托板厚度对加筋双层圆柱壳内壳体表面振动均方加速度级及远场辐射声压级的影响,其分析结果表明,内壳厚度结构参数对其内表面振动均方加速度级及远场辐射声压级的影响最明显.     

一种非均匀环肋圆柱壳振动与声辐射性能研究

引入圆柱壳圆截面内运动假设,利用模态法推导非均匀环肋圆柱壳模态机械阻抗解析式;通过模态机械阻抗控制法,围绕激励力位置设置阻抗增强肋骨,构造一种非均匀环肋圆柱壳;采用FEM/BEM法对该非均匀环肋圆柱壳振动与声辐射性能进行研究,并通过模型振动试验与普通环肋圆柱壳进行对比分析。研究表明：通过增大环肋机械阻抗、合理地布置阻抗增强环肋位置构造的非均匀环肋圆柱壳,可有效降低结构振动响应和辐射噪声水平,具有较好的振声性能。     

带有凹陷的环肋圆柱壳水下声振特性分析

为研究凹陷对环肋圆柱壳水下振动与声辐射的影响,采用结构有限元耦合流体边界元方法,通过FOR TRAN代码计算流体附加质量和附加阻尼,用DMAP代码将附加质量和附加阻尼矩阵同结构质量和结构阻尼矩阵叠加,实现了流固耦合计算,得到了在不同凹陷范围、凹陷深度、凹陷位置,以及力作用点与凹陷的相对位置时,圆柱壳的水下均方法向速度级和辐射声功率级频响曲线。分析结果表明:当力的作用点不在凹陷位置时,凹陷对圆柱壳的水下振动与辐射噪声影响很小,可以忽略;当力的作用点在凹陷位置时,带有凹陷的圆柱壳水下均方法向速度级和辐射声功率级的分贝值明显高于无凹陷时的情形,曲线峰值相差达4 dB。因此,在对带有凹陷的环肋圆柱壳进行试验研究时,应尽量避免激励力作用在凹陷位置,这样得到的结果会更准确。     

Modeling and calculation of acoustic radiation of underwater stiffened cylindrical shells treated with local damping

Damping materials are widely used and playing an essential role in reducing the vibration and noise of various ships and underwater vehicles. In practical engineering, damping materials are often applied over the structural surface of ships and underwater vehicles. They are generally distributed not evenly in the whole area, but locally in some vital regions. The stiffened cylindrical shell is the most representative configuration for the main structure of underwater vehicles. Therefore, research on modeling and calculation of underwater acoustic radiation from stiffened cylindrical shells locally treated with damping has high practical value. This paper introduces a mixed analytical-numerical acoustic-vibration interaction method to achieve efficient calculation of the vibration and acoustic radiation from a locally damped cylindrical shell immersed in water. Two kinds of vibration and noise reduction measures are proposed for the damping treatment of a large-scale stiffened cylindrical shell structure. Calculation and analysis are carried out for both measures. The results can provide reference for developing the technology of reducing vibration and noise from ships and underwater vehicles via damping treatment.     

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.     

Calculation method of underwater acoustic and vibration response of cabin segment based on onshore vibration test北大核心CSCD

[Objective]This paper proposes a method for calculating the acoustic and vibration response of underwater cylindrical shell structures based on land-based vibration test results.[Methods]An axisymmetric boundary element method (BEM) is introduced to describe the radiation acoustic field of the shell. The relationship of acoustic pressure at the nodal point of the generatrix with velocity is obtained by solving the numerical solution of the boundary element integral equation, then the acoustic radiation impedance matrix of the outer surface of the shell and acoustic transfer vector (ATV) are constructed. Based on the assumption that the low-order vibration mode of an underwater cylindrical shell is the same as that of an onshore cylindrical shell, combined with the modes and acoustic radiation impedance matrix of an onshore cylindrical shell, the modal added mass and damping are calculated. [Results]The natural frequency calculation formula of the underwater cylindrical shell is established on the basis of the onshore mode, and the calculation method of underwater vibration response and acoustic radiation characteristics with the vibration response in air as input is obtained based on mode superposition method.[Conclusion ] The numerical results of a typical cylindrical shell with internal structure show that the method meets the engineering accuracy requirements. © 2023 Chinese Journal of Ship Research. All rights reserved.     

求解圆柱壳弯曲振动声辐射问题的一种近似解析法

圆柱壳梁式弯曲振动是一种常见模态,其基于摆动柱声辐射理论。通过引入修正因子,将无限长柱的声压计算转换到有限长柱的声压计算中,提出一种求解圆柱壳弯曲振动声辐射问题的近似解析法。结合算例,计算了其弯曲振动的远场声学特性,并与广泛应用的边界元进行了比较。结果表明,两者具有较好的一致性,近似解析法简单快速,可作为工程评定方法。