基于声辐射特性分析的舱壁边缘开孔参数优化设计研究

为满足潜艇设计整体性、实用性和技术性要求,结构组、管路组及机电组等需对特殊舱壁边缘进行开孔处理.为研究舱壁边缘开孔对潜艇水下振动和声辐射特性的影响,以两舱段环肋圆柱壳为研究对象,采用结构有限元耦合流体边界元方法,通过FORTRAN和DAMP混合编程,计算了在不考虑开孔加强结构条件下不同开孔位置、开孔数目及开孔大小的圆柱壳水下辐射声功率曲线,得到基于声辐射特性的开孔参数优化方案,为潜艇舱壁结构设计提供合理依据.     

基于声辐射特性分析的舱壁边缘开孔参数优化设计研究

为满足潜艇设计整体性、实用性和技术性要求,结构组、管路组及机电组等需对特殊舱壁边缘进行开孔处理。为研究舱壁边缘开孔对潜艇水下振动和声辐射特性的影响,以两舱段环肋圆柱壳为研究对象,采用结构有限元耦合流体边界元方法,通过FORTRAN和DAMP混合编程,计算了在不考虑开孔加强结构条件下不同开孔位置、开孔数目及开孔大小的圆柱壳水下辐射声功率曲线,得到基于声辐射特性的开孔参数优化方案,为潜艇舱壁结构设计提供合理依据。     

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。     

舱壁与压载对流场中有限长圆柱壳声辐射影响

舱壁与压载是各种水下潜器及潜艇的重要结构形式,研究其对环肋圆柱壳振动声辐射的影响是很有必要的.本文研究了流场中带压载及舱壁的有限长环肋圆柱壳在简谐径向点激励作用下振动与声辐射特性.将舱壁等价为施加在圆柱壳上的线力,舱段底部的压载当做附加质量平摊到壳板上,只考虑其惯性力的影响.基于Flugge薄壳理论和Helmhohz方程,导出加筋圆柱壳的耦合振动方程,计算了耦合结构表面均方速度级和辐射声功率级,分析了舱壁和压载对圆柱壳振动和声辐射的影响.得出以下结论:舱壁对壳体振动的影响要分频段讨论,而对声辐射的影响可以忽略不计;在高频段,压载可有效起到减振降噪的作用.     

肋板与流体的耦合对水下双壳体声辐射的影响

以水下双层圆柱壳为研究对象,采用结构有限元耦合流体边界元的附加质量、附加阻尼算法,计算各工况下分别忽略和考虑层间实肋板与内域流体耦合作用这2种情况下结构的振动与声辐射,并从均方法向速度级和辐射声功率级这2个方面分析讨论壳间肋板与内域流体耦合作用对水中双层圆柱壳振动与声辐射的影响。结果表明：壳间肋板与流体耦合作用对水下双层圆柱壳振动与声辐射影响很小。壳间肋板数量越多,厚度越薄,内壳半径越小,肋板与内域流体的耦合作用对结构的振动与声辐射的影响则越小。     

舱壁打孔的环肋圆柱壳振动性能分析

为研究舱壁打孔对结构振动性能的影响,以环肋圆柱壳为研究对象,采用有限元法,计算结构在不考虑开孔加强结构的条件下,改变圆形孔的大小、位置、数量以及含圆形孔的舱壁数量时的均方法向速度级,得到不同工况下整个结构的均方法向速度级频率响应曲线。数值计算结果的比较和分析表明:激振频率在150～350Hz时,4种工况对模型均方法向速度级影响不大;350～1 000 Hz时,在部分激振频率下,4种工况对模型均方法向速度级的影响变大。可见舱壁开孔在满足工程需求的同时,也可有效减少艇体质量,但同时也会一定程度地改变结构振动特性,须在潜艇实际设计中予以考虑。     

水下双层圆柱壳全频段声振特性研究

为研究水下双层圆柱壳结构全频段声振特性,基于VA-ONE建立了FE-BEM混合法、FE-SEA混合法及SEA法3种不同的计算模型,进行了不同辐射介质中辐射声功率及外壳振速的计算,并进一步研究了内外壳及肋板厚度、约束条件、激励位置及层间流体对双层圆柱壳声辐射特性的影响;基于FE-BEM混合法研究了圆柱壳结构的声散射特性;研究了肋板在结构振动能量传递中的作用,提出了2种阻尼肋板的减振降噪方案并进行相关仿真分析.结果表明:重流体能够抑制结构的振动,但由于重流体声阻抗较大,结构的辐射声功率变大;结构声散射曲线在某些频率处出现峰值,且峰值频率与结构自身的固有特性有关;阻尼肋板能得到较好的减振降噪效果,工程上建议使用金属聚氨酯阻尼肋板.     

水下双层圆柱壳全频段声振特性研究

为研究水下双层圆柱壳结构全频段声振特性,基于VA-ONE建立了FE-BEM混合法、FE-SEA混合法及SEA法3种不同的计算模型,进行了不同辐射介质中辐射声功率及外壳振速的计算,并进一步研究了内外壳及肋板厚度、约束条件、激励位置及层间流体对双层圆柱壳声辐射特性的影响;基于FE-BEM混合法研究了圆柱壳结构的声散射特性;研究了肋板在结构振动能量传递中的作用,提出了2种阻尼肋板的减振降噪方案并进行相关仿真分析。结果表明:重流体能够抑制结构的振动,但由于重流体声阻抗较大,结构的辐射声功率变大;结构声散射曲线在某些频率处出现峰值,且峰值频率与结构自身的固有特性有关;阻尼肋板能得到较好的减振降噪效果,工程上建议使用金属聚氨酯阻尼肋板。     

部分敷设阻尼层的有限长环肋圆柱壳声辐射计算方法研究

利用模态展开技术和Green函数法研究了部分敷设阻尼层的有限长环肋圆柱壳在流场中的声辐射特性.环肋圆柱壳两端简支,并连有无限长的刚性圆柱障板;阻尼层用无质量的粘弹性弹簧模拟.在环肋圆柱壳的模态运动方程中,外声场、阻尼覆盖层和环肋之间存在复杂的模态耦合效应.文中计算了有限长环肋圆柱壳在水下的辐射声功率和振动均方速度,分析了阻尼层覆盖面积、阻尼层刚度、环肋等对其水下声辐射的影响.     

肋骨侧向加强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的附加质量附加阻尼算法,对肋骨采用不同侧向加强材的环肋圆柱壳水下振动与声辐射进行数值计算,并对数值计算结果进行比较和分析。讨论了4种侧向加强材对环肋圆柱壳水下振动与声辐射的影响,结果表明:4种肋骨侧向加强材对环肋圆柱壳结构的减振降噪是有利的,肋骨采用扶强材、半肋距肘板、整肋距肘板和纵筋加强其减振降噪效果会逐渐增强;随着频率的升高,各种侧向加强材的减振降噪效果也逐渐增强;肋骨侧向加强材主要对环肋圆柱壳肋骨间的振动产生影响,对其低频整体振动影响较小。     

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。     

水下纵肋加强圆柱壳低频振动与声辐射

采用模态叠加法建立了水下纵肋加强圆柱壳振动与声辐射计算模型,其中纵肋的建模采用了Timoshenko梁理论,且考虑了纵肋的径向弯曲、周向弯曲、轴向纵振动和扭转振动。与仅考虑纵肋径向弯曲振动的传统建模方法相比,文中计算结果与有限元解吻合更好。分析了光壳和纵肋加强圆柱壳的振动模态、壳面均方振速和辐射声功率,给出了纵肋对圆柱壳低频振动与声辐射的影响规律。结果表明,加入纵肋后圆柱壳产生了新的振动模态;在低频段某些频率附近,壳体振动有所增强,但高频振动被明显降低;加入纵肋后,圆柱壳在低频段辐射声功率会出现许多新的峰值,峰的数量随纵肋数目增加而逐渐减少,在更高频段上加入纵肋后辐射声功率明显降低。     

不同流场中双层圆柱壳层间声振传递特性研究

采用解析法研究了不同流场中双层圆柱壳层间声振传递特性。壳体的振动用Flügge壳体方程描述,将加强构件等价为对内外壳体的支持力,最后求解双壳体声—流体—结构耦合方程,计算结果用表面振动均方速度级、辐射声功率和辐射效率的形式表示。在数值分析部分,讨论了有限长双层圆柱壳壳间连接形式的变化、壳间及外部流场的变化对其声辐射性能的影响,得到结论是在中低频段,当内壳受激振动,通过外壳向外场辐射噪声时,其主要通道为连接内外壳壳体的实肋板,其次才是环形流场中的流体介质。     

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。     

外壳板采用纵骨加强的双层加肋圆柱壳水下声辐射分析

建立了外壳板加纵骨的双层加肋圆柱壳水下声辐射计算方法，计算模型采用Donnell壳体理论，考虑了环肋、舱壁和实肋板对内外圆柱壳的径向、切向、纵向反作用力以及纵向反弯矩，利用傅氏变换和模态展开在波数域建立了计算模型的声弹耦合控制方程。推导了所有结构部件以及水介质的速度阻抗表达式，采用数值计算方法在波数域求解出径向振动速度，利用稳相法得到远场辐射声压。研究表明，如果纵骨沿圆周均匀排列，则纵骨的存在不导致圆柱壳周向模态耦合，纵骨加强的双层圆柱壳水下声辐射计算可以大大筒化。采用文中方法研究了环频率以下外壳板加纵骨的双层加肋圆柱壳水下声辐射特性，计算表时：在较低的频率段，外壳板采用纵骨加强使双层加肋圆柱壳水下辐射声压增大；增大纵骨刚废，结构辐射声压也相应增大；纵骨间距对双层加肋圆柱壳水下声辐射影响比较复杂，辐射声压谱随纵骨间距变化较大，而总声级变化不明显。     

有限长双层壳体声辐射理论及数值分析

研究流场中有限长加筋双层圆柱壳受径向点激励的振动和声辐射性能。壳体的振动用Fluegge壳体方程描述，将加强构件等价为对内外壳体的支持力，采用Helmholtz波动方程、壳体表面的边界条件和傅氏变换方法求解声压的表达式，然后将其引入壳体振动方程，最后求解双层壳体声-流体-结构耦合方程，计算结果用辐射声功率、表面振动均方速度级和辐射效率的形式表示。讨论了有限长单、双层壳体声辐射性能的差别以及双层壳体壳间连接形式和实肋板参数的变化对其声辐射性能的影响，得出结论：当内壳受激振动，通过外壳向外场辐射噪声时，其主要通道为连接内外壳壳体的实肋板，其次才是环形流场中的流体介质。     

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。     

单壳体潜艇结构辐射噪声性能研究

建立了采用环肋和舱壁加强的双周期圆柱壳结构声辐射的计算方法，环肋和舱壁板对圆柱壳的反作用力包括纵向、切向、径向作用力以及纵向反弯矩，外激振力为三个方向的集中力；采用机械阻抗方法的波数域建立了平衡方程，通过纵向波数和周向模态截断，求解出模态速度响应值，最终获得远场声压，利用本方法，研究了单壳体潜艇结构辐射噪声性能。     

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.     

激励力对双层圆柱壳声辐射性能的影响

研究了不同激励力对流场中敷设阻尼材料的有限长加筋双层圆柱壳的振动和声辐射性能的影响.壳体的振动用Fkügge壳体方程描述,将加强构件等价为对内外壳体的支持力,粘弹性阻尼层的运动用三维Navier方程描述,壳体受到的激励力可以归结成轴向力、周向力、径向力、轴向弯距、周向弯距和扭矩的作用,点激励用δ函数表示,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.在数值分析部分,讨论了六种不同性质激励力、两个力联合作用以及阻尼材料对双层圆柱壳的辐射声功率和表面振动速度级的影响.得出结论:同一位置受单位力激励时,Mx 激励的声功率最高,F.居第二,F.最低;联合激励力产生的辐射声功率级和外壳振动速度级比单个力激励时都要大;阻尼材料能有效地抑制壳体的辐射噪声.