基于IWO算法的轴系-基座-壳体系统声辐射优化研究

螺旋桨推进轴系与壳体耦合振动和声辐射一直是重点研究问题之一,由于轴系-基座-壳体结构复杂,对于激振力引起的结构表面声辐射尚未形成一套有效的计算和优化方法。针对该问题,本文尝试通过功率流有限元和声学边界元方法,对系统声优化问题进行研究。在直线校中状态下,用相应单元模拟系统中减振器、隔振器和吸振器,建立轴系-基座-壳体系统有限元模型,利用有限元转子动力学,计算系统某特定工况下频率响应。在此基础上采用IWO算法,以各减振单元参数为设计变量,以传递路径的总功率流为目标函数进行优化,最后利用声学边界元方法对优化结果进行对比分析。结果表明,将流经路径总功率流替代场点声压为目标函数,不仅能将问题简化,大大减少计算量,还能为系统减振降噪提供有效的优化计算方法,具有重要工程应用价值。     

轴系纵振对双层圆柱壳体水下声辐射的影响研究

采用有限元/边界元方法(FEM/BEM)对推进轴系纵振引起的双层圆柱壳水下辐射噪声特性进行研究.使用ANSYS有限元软件建立了流固耦合的有限元模型,计算了流-固耦合状态下结构振动位移响应.利用边界元技术对结构水下辐射噪声特性进行研究,并对推力轴承的布置位置和结构进行了改变,从而改变了激振力的大小及传递途径,对轴系纵振引起的结构水下辐射噪声起到了一定的改善.     

基于有限元功率流的螺旋桨-轴系-船体耦合振动特性研究

螺旋桨推进轴系的纵向振动是船体艉部振动噪音的重要来源。推力轴承主要承受轴向推力,其动态性能直接影响船体艉部耦合振动。针对推进轴系纵向振动与船体艉部耦合振动,应用雷诺方程计算推力块4种工况下的油膜动力特性,建立轴系-基座-船体耦合系统有限元模型,运用有限元功率流方法分析推力轴承对系统振动影响,以此为基础探讨了流经传递路径的功率流与系统水下辐射噪声之间的关联。研究表明,推力轴承的动态特性会对流入各轴承的功率流产生影响,导致系统耦合振动发生相应的变化。     

水下加肋双层圆柱壳体的振—声传递路径分析

简要介绍了有限元声振耦合和结构振-声传递路径分析(TPA)的基本理论。基于CAE技术建立了TPA模型,通过ANSYS声振耦合的谐响应分析,获得水下双层圆柱壳体振动响应和声场中的声压响应,利用矩阵条件数曲线优选测点位置,并结合奇异值修正的方法改善频响函数矩阵病态问题,求得振源的耦合激励力和振—声频响函数。由自编TPA程序计算得到两个振源作用下目标点的合成噪声响应与ANSYS实际计算吻合很好。利用频谱贡献云图、矢量叠加图及数据对比的方式分析了传递路径对壳外目标点噪声的贡献,从传递路径的角度找出了对壳外噪声起主导作用的环节。可见,基于CAE方法的水下双层圆柱壳体结构振-声TPA方法具有精度高、易操作、成本低等优点,对潜艇的优化设计、运行管理、针对性的维修均具有十分重要的意义。     

船舶轴系扭转振动消减方法研究

船舶轴系是船舶推进系统的主要组成部分,轴系产生的扭转振动是引发船舶推进系统事故的重要因素之一。在分析了船舶轴系扭转振动产生的原因、计算方法以及减振措施之后,并以某型船舶为例,利用轴系扭振计算软件,研究了优化该船轴系扭振的措施。     

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.     

舰艇桨-轴系-船体耦合振动测试实尺度试验台设计

为获得舰艇桨-轴系-基座-船体的振动传递规律,分析桨-轴系-船体耦合动力特性数值计算的合理性,考核轴系各项减振措施的减振效果,搭建了基于减振降噪设计且与实舰较吻合的桨-轴系-船体耦合振动测试的实尺度试验台。通过基座阻抗特性、轴系和船体振动响应、轴系模态等试验和各项减振措施测试,获得了耦合系统纵向振动频响传递函数、船体结构响应特性以及为修正耦合动力特性数值计算所需试验数据,考核了各项减振降噪措施。     

推进结构形式对艇体结构声学特性的影响

本文按艇体耐压壳在周向受到作用力的分布形式,将推力轴承与壳体间连接结构分为三类:基座式、支柱式和多分支式结构。采用结构有限元耦合流体边界元方法对具有上述不同推进结构形式的圆柱壳进行流固耦合计算,以壳体湿表面振动响应与压力分布为输入,计算获得壳体的法向速度振动功率与声辐射功率,并通过波数谱方法量化壳体各波数成分的结构波对壳体振动与声辐射的贡献,揭示了不同推进结构形式对艇体结构声学特性产生影响的机理。根据单自由度隔振理论,提出了改进支柱结构形式的措施。研究发现,支柱与多分支式推进圆柱壳的水下振动特性优于基座式推进圆柱壳,改进后的支柱式推进圆柱壳的水下振动与声辐射特性均优于基座式推进圆柱壳。     

船舶基座阻尼材料敷设优化及实验研究

[目的]船舶基座结构是船舶减振的重要设备,为提高基座结构的减振效果,在结构表面敷设阻尼材料是常用手段。[方法]以基座结构的加速度振级落差为评价指标,应用各向正交惩罚材料密度法(SIMP),建立自由阻尼材料的拓扑优化数学模型。在优化模型中,其约束条件是确保在阻尼材料总使用量一定的情况下实现阻尼材料在基座结构表面的最优分布。最后,以某型船的主机基座为例,在建立的有限元模型的基础上,开展基座结构阻尼材料拓扑优化的数值计算,并利用基座模型实验的方法对拓扑优化数值计算结果进行实验验证。[结果]经验证,获得了阻尼材料的最优敷设方案。[结论]所得成果对船舶基座结构设计和复合材料的应用具有一定的参考价值。     

浮筏隔振系统有限元模型中基座的等效方法

在浮筏隔振系统中,由于实际基座模型和边界条件比较复杂,其有限元模型通常难以建立。提出基座的等效方法,首先测试基座安装点的原点导纳和传递导纳,然后根据有效点导纳的方法,将各安装点之间的耦合进行简化,将基座等效为多个独立的支撑单元,构成浮筏隔振系统完整的有限元模型。建立等效的浮筏隔振系统有限元模型,估算等效前后两种浮筏隔振系统有限元模型的隔振效果,等效模型的计算结果与参考模型较一致,不论是振级落差的总体趋势还是峰值点,都比较吻合,计算出的振级落差总级相差1.5 dB左右,可以满足工程实际要求。     

肋骨非均匀排列的圆柱壳振动特性研究

研究了肋骨非均匀排列对加肋圆柱壳振动特性的影响。首先,以安德森定域效应的原理为基础,肋骨间距为随机分布,分析了肋骨非均匀排列时圆柱壳的振动特性,然后,采用两种肋骨间距,交替排列,构造整个圆柱壳的肋骨不等间距排列形式,两种肋骨间距的确定方法是:保持两种肋骨间距的总和不变,逐步增大两者的间距差,从而增加相邻的肋骨间的两个圆环结构的固有频率差,直至固有频率差趋于不变,最终确定了两种肋骨间距。分别计算并对比分析了肋骨等间距和不等间距排列的圆柱壳的均方振速,结果表明:肋骨不等间距排列具有一定的减振效果。     

船舶齿轮传动装置箱体振动噪声 分析与控制研究进展

箱体作为船舶齿轮传动装置的重要组成部分,在工作过程中由于齿轮系统的激励会产生振动噪声,不仅影响船舱的舒适性,还会对船舶的安全造成威胁。针对船舶齿轮箱尺寸大、结构复杂、安装形式多样的特点,文章从振动噪声的分析方法和控制措施两方面总结了国内外近年来的研究进展。在分析方法方面,对比了采用齿轮系统-箱体全有限元模型进行振动分析与采用齿轮系统集中质量模型和箱体有限元模型进行振动分析的优缺点,评述了有限元法、边界元法、统计能量法、中频混合法等方法的特点及研究进展,总结了计入安装特征影响的方法。在控制措施方面,介绍了以降低振动噪声为目标指导齿轮箱结构改进的方法,总结了确定阻尼材料敷设位置、方式及厚度的方法。最后讨论了需要进一步研究的问题。     

超空泡航行体运动过程尾部振荡流场试验研究

为了揭示超空泡航行体运动过程尾部振荡机理,文章采用试验的方法对超空泡航行体自由航行过程进行了研究。试验在水池中开展,采用高速摄影观察自由航行过程超空泡形态演化规律,采用压力传感器测量航行体表面压力,采用内测装置测量了航行体运动参数,获得了超空泡航行体运动过程空泡形态、压力和运动参数变化规律。试验结果表明,在航行体运动过程中,会出现尾部上下周期撞击空泡壁振荡现象,即为尾拍效应,表现为航行体撞击空泡壁瞬间,会形成非定常气液混合区域,相反侧则出现空泡透明区域。同时,稳定空泡内压力并非一定值,泡内压力和泡内空化数均在一定范围内波动,在尾部撞击空泡壁一侧,压力不断增大,出现压力高峰,相反侧则与稳定空泡内压力基本一致。     

有限长水翼在侧斜来流中激振力响应函数研究

文章针对有限长水翼在湍流中的非定常问题,分别建立流动系数不同的两向波谱函数描述三维湍流场,并推导了有限长水翼的响应函数。将计算结果分别与实验值进行对比,发现与实验结果吻合较好。在此基础上对来流速度存在攻角和侧斜角情况下的响应函数进行了研究,发现来流攻角并不影响响应函数。在来流存在侧斜的情况下,侧斜角在低频区间内会使响应函数增大;在高频区间内使响应函数衰减更快。同时还得出了湍流尺度的增大会加剧来流侧斜角对响应函数影响的结论。     

深水钻井平台-隔水管系统波激疲劳分析

平台运动是深水钻井隔水管系统波激疲劳的主要来源之一。传统的隔水管波激疲劳分析不考虑或简化钻井平台运动,为了更精确地评估隔水管系统波激疲劳损伤,建立了深水钻井平台-隔水管耦合系统动力学模型及波激疲劳损伤评估方法,开展了动力定位和锚泊定位模式下的隔水管系统动力学响应及疲劳损伤分析,深入揭示深水钻井隔水管系统波激疲劳动力学特性。结果表明,两种定位模式下的平台-隔水管系统受波浪载荷的影响,在常规波浪频率范围内发生波频振动,锚泊定位模式下的平台-隔水管系统还呈现一定的低频特性;两种定位系统下的深水钻井隔水管系统疲劳损伤最大值均发生在隔水管系统顶部,锚泊定位模式下的隔水管系统波激疲劳损伤变异系数较大,动力定位系统下的隔水管系统波激疲劳损伤较大。     

6.1万吨散货船居住区振动分析及对策研究

在6.1万吨散货船航行试验振动测量过程中,发现主机转速为91 r/min时居住区纵向振动较为严重。文章根据船体结构有限元模态分析理论,结合局部结构振动特性以及主要激励源判断,查找出居住区结构振动异常的原因,并通过采取调整压载水的对策很好地处理了该处振动问题,最终进行了有限元计算和实船测试的双重验证,计算和测试结果均满足技术规格书要求的ISO 6954振动标准,为此类船型设计和运营提供一定的技术参考。     

船舶主机废气余热温差发电的数值模拟与试验研究

为了对船舶柴油机废气余热加以利用以达到船舶节能和减少碳排放的目的,结合船舶余热特点,开展船舶余热温差发电的数值模拟与试验研究。采用CFD方法完成试验装置相关参数的选择,然后对温差发电装置的换热过程进行模拟,并通过试验验证模拟的正确性。最后,以MAN/B&W41V32/40式船舶主机为研究对象,对其废气余热温差发电的性能进行评估,结果表明,在热端平均温度为500 K、冷端平均温度为310 K、冷却水流速为10 m/s的工况条件下,设计安装的1 764片温差发电片输出总功率理论上可达31.75 k W。     

含惯性摆发电装置之浮标的水动力分析

文章利用拉格朗日方程推导了含惯性摆波能发电装置之浮标在规则波作用下的七自由度运动方程。为了验证所推导公式的正确性,制作了一个物理模型,并对无负载阻尼工况在水槽中进行了模型试验。借助商业软件AQWA-LINE计算浮标的附加质量、辐射阻尼系数及波浪扰动力。利用文中推导的方程,计算了浮标及摆锤的运动响应,并将理论计算得到的结果与实验结果进行了比较。最后,分析了负载阻尼系数对浮标纵摇运动、摆锤纵摇运动、摆锤相对纵摇运动及波能转换效率的影响。     

FPSO内孤立波载荷特性数值研究

文章将KdV、eKdV和MCC内孤立波理论应用到内孤立波数值模拟水槽入口速度条件计算,讨论内孤立波与浮式生产储卸油装置FPSO强非线性作用问题。结果表明,数值模拟所得FPSO内孤立波水平载荷、垂向载荷及力矩与实验结果相吻合,内孤立波载荷主要由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,粘性压差力很小,可以忽略;在水平载荷中,摩擦力较压差力约小一个量级,流体粘性的影响不可忽略;在垂向载荷中,摩擦力比压差力小很多,在分析时可以忽略流体粘性的影响。由于FPSO始终处于上层流体中,对内孤立波的模拟波形和其诱导流场的影响很小。波浪压差力可利用傅汝德-克雷洛夫公式基于动压力进行计算,而水平载荷中的摩擦力则需根据内孤立波诱导速度的切向分量对FPSO吃水湿表面求积分的方法进行计算。     

螺旋桨梢涡及梢涡空泡数值模拟

以PPTC(Potsdam Propeller Test Case)桨为研究对象,探索了螺旋桨梢涡及梢涡空泡的数值模拟方法。通过梢涡区域的划分及网格加密,对螺旋桨无空化流场进行了数值模拟,成功捕获了梢涡;然后基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对空化流场进行了数值模拟;并将计算结果与试验数据进行了广泛的比较和分析,以校验计算网格和计算方法。研究表明:无论片空泡还是梢涡空泡的计算结果均与试验观测吻合良好;同时,所得螺旋桨推力和扭矩系数也与试验值符合良好;有效地实现了梢涡捕捉及梢涡空泡模拟。同时指出,水中含气率对推力和扭矩系数的影响大于空泡形态。