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。     

水下有限长双层圆柱壳舷间声功率传递特性分析

采用模态展开法建立了水下有限长双层加筋圆柱壳的振动声辐射模型,给出了环肋、实肋板和舷间水的阻抗表达式,分析了实肋板的周向、轴向、径向及弯矩作用力对双层圆柱壳结构振动声辐射的影响,比较了舷间水与实肋板的传递功率,并针对实肋板详细分析了不同作用力的功率传递特征及主要作用频段。结果表明：0.5倍环频以下,双层壳体间功率传递以舷间水为主,0.5倍环频以上,实肋板对声辐射峰值的贡献更为明显;实肋板功率传递的四个分量中,环频以下以切向力和径向力传递为主,环频以上四个分量传递功率量级基本相当,轴向力略低。     

基座阻尼敷设方式对柱壳振动及声辐射的影响

利用有限元/边界元法分析加肋柱壳受激后的水下声辐射,对比约束阻尼对裸基座振动特性的影响,基座敷设阻尼材料前后壳体辐射声场的变化以及约束阻尼敷设面积和位置对圆柱壳振动及声辐射特性的影响。结果表明,敷设约束阻尼能有效降低加肋圆柱壳体及其内部基座的辐射噪声,合理地选择敷设面积和位置可以有效地降低圆柱壳振动及声辐射。     

加肋圆柱体水下低频辐射声特性研究

为掌握不同激励下加肋圆柱体水下低频辐射声频谱特征,揭示辐射声峰值对应的优势模态及弯纵耦合现象规律,该文利用三维水弹性声辐射计算方法,针对加肋圆柱体的梁模型和有限元壳模型,计算分析其水下不同激励的声源级传递函数,分析声源级曲线峰值与单个模态声源级分量的对应关系,得出垂向激励时,辐射声峰值对应于垂向弯曲模态;轴向激励时,辐射声峰值对应于轴向模态,同时运用壳模型计算结果发现梁模型所不能反映的弯纵耦合现象。比较了不同激励辐射声源级传递函数,得出所分析频带内,轴向单位力激励总声级比垂向略大。并比较不同模型的结果,指出梁模型的适用范围。     

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。     

单层环肋壳振动与声辐射试验分析

本文以单层环肋圆柱壳为对象,开展相关振动与声辐射模型试验,分析了力激励、声源激励对单层圆柱壳在空气中与水下的影响。通过对结构的固有频率展开试验与数值分析,基于有限元及边界元方法,探讨了单层环肋壳在不同频段的声振特性,进而对比分析了壳体振动与声辐射特性。结果表明:在中低频段,空气中与水中单层环肋壳的振动特征差别较小,频谱特征及峰值特征较为相似;但在水中振动响应衰减更快,高频段圆柱壳结构在空气中与水中的振动特性差别较大;在不同激励下,力激励对壳体的振动声辐射影响较大,声激励影响微小。     

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。     

单/双层圆柱壳振动及声辐射对比

采用模态叠加法,分别在点激励和面激励作用下,研究单/双层圆柱壳的振动及声辐射特性。研究结果表明,点激励作用在实肋板位置时,由于较大的局部机械输入阻抗,使得双层圆柱壳的辐射声功率和径向均方振速明显小于单壳。面激励作用时,在低频段与单层圆柱壳相比,双壳辐射声功率峰值向高频偏移,且幅值略小,径向均方振速幅值更小、峰值更少;随着频率升高,单/双壳的辐射声功率和径向均方振速在平均意义下趋于一致。     

基于表面响应预报水下圆柱壳声辐射的振动测点布置研究

针对基于表面振动的圆柱壳声辐射估算的测点布置问题,提出均匀的测点布置方法。利用有限元法计算大尺度单层加肋圆柱壳在水下振动时的表面速度分布,根据边界元法及各测点处的速度计算不同测点布置对应的辐射声功率,比较各振动测点布置对应的声辐射预测精度,选择合理的测点布置。计算结果表明,对于给定尺寸的结构,在10～125 Hz范围内,周向和轴向测点数存在最优值(周向12个、轴向5个),当测点数大于最优值时,测点数量的增加不能有效提高声功率的计算精度;当测点数小于最优值时,声功率的计算误差明显增大。在较低的频率范围内,1/6声学波长可作为大尺度结构在水下振动时的测点布置依据。     

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。     

加周期纵肋圆柱壳声辐射

本文研究了水中加周期纵肋圆柱壳在点力激励下的声辐射特性.壳体振动采用薄壳理论的Donnell方程描述,纵肋振动采用相互独立的梁的纵振动和弯曲振动方程描述.通过周向模态展开和轴向Fourier变换导出圆柱壳体径向振速表达式,使用波数域稳相法积分得到了远场辐射声压的解析解.数值计算给出了接收点正对激励点情况下的远场辐射声压级,并据此进行了机理分析.在加周期纵肋无限长圆柱壳中存在两类辐射机理:亚音速的弯曲波辐射和超音速的Bloch弯曲波分量辐射.由于圆柱壳体表面存在曲率,亚音速的弯曲波也能辐射极小部分能量到远场,并形成频带极窄的共振峰.加周期纵肋圆柱壳在周向是一种无限周期结构,存在多阶次的Bloch弯曲波.低于水中声波数的Bloch弯曲波分量能够通过相位匹配的方式高效辐射到远场.Bloch弯曲波的辐射存在一定的频率下限,其下限与纵肋的间距有关,纵肋间距越大辐射的频率下限就越低.     

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。     

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.     

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.     

外层蒙皮加强充水气囊圆柱壳的声辐射

为降低充水加肋圆柱壳受内部点声源激励时的辐射噪声,在其外表面整体敷设了气囊式声学覆盖层.气囊式声学覆盖层由内外层橡胶蒙皮与内部充入的气体组成,并在外层蒙皮中嵌入一层较薄的铝质芯板或在外层蒙皮中嵌入等间距的钢丝环.采用声无限元法,计算敷设气囊式声学覆盖层的充水圆柱壳的水下辐射噪声,结果表明采用铝板加强外层蒙皮的气囊式声学覆盖层可以降低充水气囊圆柱壳的水下辐射噪声,而采用钢丝环加强外层蒙皮则不能够降低充水气囊圆柱壳的水下辐射噪声.     

外层蒙皮加强充水气囊圆柱壳的声辐射

为降低充水加肋圆柱壳受内部点声源激励时的辐射噪声,在其外表面整体敷设了气囊式声学覆盖层。气囊式声学覆盖层由内外层橡胶蒙皮与内部充入的气体组成,并在外层蒙皮中嵌入一层较薄的铝质芯板或在外层蒙皮中嵌入等间距的钢丝环。采用声无限元法,计算敷设气囊式声学覆盖层的充水圆柱壳的水下辐射噪声,结果表明采用铝板加强外层蒙皮的气囊式声学覆盖层可以降低充水气囊圆柱壳的水下辐射噪声,而采用钢丝环加强外层蒙皮则不能够降低充水气囊圆柱壳的水下辐射噪声。     

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。     

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。