水下扁平阻抗结构衍射声场建模与计算

运用一致性几何衍射理论对水下扁平阻抗结构的衍射声场计算进行了理论建模与分析,并通过数值仿真讨论分析了水下扁平结构衍射声场分布与不同衍射类型、收发方式、结构表面阻抗特性、入射声波性质等几何特性和声学特性间的影响关系.其中,首次考虑了尖端衍射贡献影响,并重点分析了尖端衍射和结构表面阻抗特性在不同条件下对总的衍射声场作用规律和影响程度等.最后为验证上述理论模型和计算方法的正确性和可靠性,还与水下钢板散射声场分布实验测试结果进行了对比分析.研究结果表明:(1)考虑尖端衍射贡献影响使得上述模型更加完整,计算精度得到有效提高,且尖端衍射影响程度与入射声波频率、收发张角、结构表面阻抗特性以及声源、接收场点和结构的空间相对几何位置等因素有关;(2)结构两侧表面阻抗特性的影响规律和程度存在差异.其中,面向声源一侧的结构表面复反射系数幅值和背向声源一侧结构表面的复反射系数相角对结构衍射声场分布强度的影响尤为明显.这些对水下目标强度估计、自由场材料声学测试和衍射效应抑制技术研究等具有理论指导意义和工程应用价值.     

水下复杂目标在空间中低频散射场的TSS-FDTD分析北大核心CSCD

[目的]随着人类对海洋资源的逐步开发,海面下运行的航行器数量激增,由此带来的对航行器等水下复杂目标的电磁探测问题亟待解决。[方法]基于总场-散射场源时域有限差分方法(TSS-FDTD)和海面上下表面的场值转换算法,分析水下天线阵列源照射水下航行器目标产生散射场的空间分布规律。通过计算得到水下天线阵列与复杂目标附近区域的场分布、整个水下空间的场分布和海面上方的场分布,并将目标与源在不同相对位置的3组模型在空间中的散射场进行对比分析。[结果]结果表明:在海水内部环境中,不同目标模型的散射场差异较大,通过观测该散射场可确定目标的存在;而在海面上空,不同目标模型的散射场差异较小,通过观测其散射场均值和能量分布情况也能确定目标是否存在。[结论]研究结果可为相似工作频段的探测雷达提供数值参考,为水下航行器探测、水下救援、打捞沉船等工程领域提供技术支撑。     

吸声尖劈对板柱组合结构水下声学特性影响的试验研究

为考察吸声尖劈对船舶声纳平台水下声学环境的影响,开展了吸声尖劈对板柱组合结构水下声学特性影响的模型试验研究。通过对板柱组合结构0%、36%、60%、100%敷设吸声尖劈材料,在声波以0°、90°、180°方向入射板柱组合结构时,研究了尖劈敷设方式、声波入射角度对板柱组合结构水下声场及散射声场的影响,得到了不同工况下板柱组合结构典型部位的声场分布。研究表明:吸声尖劈可明显改变板柱组合结构的声场分布,降低板柱组合结构的自噪声;但其抑制效果随考核位置、声波频率、敷设密度的不同而各有变化。     

基于BEM/FEM计算浸水结构振动特性

应用直接边界元和有限元方法分析水下结构体的固有频率和振动特性,根据边界元理论编译出相应的程序来计算水下结构的附加质量矩阵,将附加质量矩阵与现有的有限元程序相结合,分析水下结构体的固有频率和振动特性,以浸没于流体介质中的圆柱壳为例,通过与近似理论值的对比验证了数值计算结果的可靠性,表明流体介质改变了结构的振动特性.     

纵桁穿过边缘开孔舱壁对环肋圆柱壳水下声辐射特性的影响

为研究纵桁穿过边缘开孔舱壁对环肋圆柱壳水下声辐射特性的影响,采用结构有限元耦合流体边界元方法,通过FORTRAN和DMAP混合编程处理流体附加质量和附加阻尼,计算在不考虑开孔加强结构的条件下,不同舱壁边缘开孔数量、半径及分布角度的圆柱壳表面均方法向速度级与辐射声功率级频响曲线。结果表明:舱壁边缘开孔分布角度对环肋圆柱壳湿表面均方法向速度级和辐射声功率级的分贝值影响很小,但对两声学衡量指标的峰值数影响明显;边缘开孔数量、半径对两声学衡量指标的分贝值影响明显,且对峰值数影响显著。因此,在设计潜艇舱壁结构时,需合理设置边缘开孔参数。     

水下板式-浮筒型防波堤附加质量与阻尼系数研究

文章提出的水下平板—浮筒型防波堤作为一种新型的深海防波堤结构形式,具有重要的海洋工程应用前景。而附加质量和阻尼系数是决定该型结构水动力响应效果的重要影响因素。文中采用边界单元法依据波浪辐射、绕射理论对水下板式—浮筒型防波堤的水动力特性进行了研究,系统分析了这种结构形式防波堤的附加质量及阻尼系数和平板、浮筒间距及浮筒厚度的相互关系。     

基于耦合边界元法的水下目标低频声散射特性

基于耦合声学边界元理论对水下目标低频声散射特性进行仿真研究。为了验证此数值方法准确性,对水中弹性球壳在平面波入射下的反向散射特性进行数值计算。结果表明,散射声场的数值计算结果和解析解较好吻合。在此基础上,本文探究刚性BeTSSi-Sub[1]和弹性BeTSSi-Sub的全向散射特性,对比发现,刚性BeTSSi-Sub的目标强度大于弹性BeTSSi-Sub的目标强度。通过对形状不同弹性的BeTSSi-Sub的目标强度对比发现,在低频段潜艇上舵对潜艇目标强度的影响比上层建筑的影响大。     

静水压力作用的水下结构振动及声辐射

采用有限元／边界元方法开发了静水压力作用的水下结构振动与声辐射的计算程序。依据不同分析域的特点，对结构域和流体内域采用有限元方法，对流体外域采用边界元方法。分析了流体一结构相似特性，使通过对常规结构有限元分析程序中的参数作合理设置，使之能直接用于内域流体声学有限元分析。流体外域采用边界元方法，选取合适的格林函数，能够考虑无穷远和自由液面边界条件。流体对结构的作用表现附加质量和附加阻尼。采用FORTRAN代码计算外域流体附加质量和附加阻尼矩阵，采用结构有限元分析程序对结构和内域流体作有限元分析，采用DMAP代码将附加质量和附加阻尼同结构质量矩阵和阻尼矩阵相叠加，实现了流固耦合计算。通过几何刚度矩阵对结构刚度矩阵修正来考虑静水压力对结构声辐射的影响。     

半潜钻井平台辐射问题的高精度算法研究

附加质量和阻尼力是决定半潜式钻井平台运动响应的重要参数,该研究采用直交边界边配置多重节点的新方法去除积分边界的奇异性。研究中同时应用了高阶边界单元方法近似真实的空间三维复杂结构,依据波浪与结构物相互作用的辐射和绕射理论建立边界元积分方程,对ISSC型半潜式平台（Semi-Submersible）的附加质量和阻尼力进行了分析研究。研究表明多重节点与高阶边界元相结合的方法对复杂结构的水动力计算具有很高的精度。     

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。     

采用有限元和边界元方法分析弹性加肋圆柱壳的声学相似性

本文采用有限元和边界元方法,分析水下运动体的典型结构──有限长弹性加肋圆柱壳的振动、耦合振动和声辐射的相似性,给出这种结构的声学相似条件和相似关系。     

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.     

以舱段模型代替整艇模型进行噪声估算的可行性探讨

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SUBOFF潜艇模型的一个舱段在考虑不同声反射边界条件下的水下辐射噪声进行了数值计算,并讨论了以舱段模型代替整艇模型进行噪声估算的可行性。分析结果表明,不同声反射边界条件下辐射噪声的指向性比较一致,但不同边界条件下辐射噪声的最大声压级误差较大,声反射边界条件对舱段模型辐射噪声的影响不可以简单忽略,为对不同潜艇结构进行噪声估算提供了参考。     

水下结构声固耦合振动的特征值计算

针对水下结构声固耦合振动计算中出现的非对称矩阵(与频率相关)的特征值问题,本文基于共轭子空间迭代法,提出了计算水下结构振动固有频率和振型的双重迭代算法.数值算例表明:该算法收敛性好,用于水下结构声固耦合振动的特征值计算是有效的.文中分别将流体视为不可压缩和可压缩两种情况建立了流固耦合方程,计算了板、加筋板和方箱振动的固有频率和振型,将干模态和湿模态、不可压缩流体和可压缩流体的计算结果进行了比较,并分析了结构刚度和流体边界条件对附加水质量影响系数的影响.     

基于边界元法的带空泡航行体的附加质量研究

采用边界元法计算了水下航行体在不同空化数下的定常轴对称空泡形态及流场。考虑航行体在此定常基本流中作刚体微幅振动,基于船舶有航速辐射水动力的计算方法,在频域中计算了带局部空泡航行体的轴向、横向和转动附加质量(惯性矩)。研究了带空泡附加质量与振动频率的关系。高频时,各附加质量分量都趋于定值;低频时,附加质量随频率迅速变化,其中轴向附加质量甚至变成负值。针对这种特殊的现象,从含有空泡面的流场对航行体非定常扰动的响应特征出发,给出了一种解释。     

规则波中半潜式平台水动力的时域数值模拟

能在时域内准确求解三维波物相互作用问题的水动力对不规则波问题中的时域数值模拟具有很大的吸引力,为了研究应用时域理论对三维波物相互作用问题,采用基于Rankine源的边界元法计算每一时刻的流场,在自由面上采用积分格式的自由面条件(Integral-Form of Free-surface Boundary Condition,IFBC);在远方控制面上采用多次透射边界条件(Multi-Transmitting Formula,MTF).文中讨论了基本参数对浮体受力的影响,同时对截断圆柱和半潜式平台的水波绕射问题进行了时域模拟,并将数值结果与频域结果进行了比较.结果表明,采用文中方法得到的数值结果准确、稳定和高效.     

船舶水下辐射噪声特性研究

本文采用有限元/边界元(FEM/BEM)方法对船舶水下辐射噪声特性进行研究.首先应用五种类型的有限单元建立了接近于真实船舶结构的有限元模型(包括机舱动力设备),并应用有限元法完成了流-固耦合状态下,船舶结构振动位移响应数值计算.然后将有限元模型的外表面处理成边界元模型,并由船舶外表面位移响应计算得到用于水下辐射噪声计算的速度边界条件.最后利用边界元技术对船舶水下辐射噪声特性进行研究.本文预估了仅考虑推进柴油机激励、柴油发电机组激励、齿轮箱激励以及所有激励情况下的船舶水下辐射噪声,并将其数值计算与实际测量结果比较,比较结果符合良好.     

AUV水下回收过程中的操纵性仿真研究

在建立自主水下航行器(简称 AUV)六自由度运动模型的基础上,基于势流理论建立了潜艇运动扰动流场对 AUV 扰动力的计算模型,并对回转体 AUV 在回收时靠近潜艇过程中的操纵性进行了仿真,仿真结果显示,AUV 在靠近潜艇的过程中,潜艇扰动流场对 AUV 深度和侧向位移有较大的影响,而对姿态角的影响较小,因此,回转体 AUV 可以稳定地完成水下的回收运动。     

基于近场声全息的水下辐射声场可视化方法与实现

针对水下结构体辐射声场的测试及分析问题,提出一种基于近场声全息的辐射声场可视化方法,采用平面近场声全息技术完成声场测量,给出声压数据场的获取方法,并运用光线投射算法对单频点上声压场进行体绘制,较好地呈现了某频点上辐射声场的声源位置、强度分布及衰减情况.