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。     

激励力对水下加肋圆柱壳声振特性的影响

利用有限元和边界元方法,研究了激励力对水下加肋圆柱壳振动及声辐射特性的影响。首先分析了加肋圆柱壳受激后的水下声辐射,计算结果与实验值误差小于40%;然后在加肋圆柱壳端面圆心处和侧面母线中点处分别施加轴向、径向和切向的单位激励,讨论了不同位置各个方向的单位激励对水下加肋圆柱壳振动及声辐射的影响.结果表明:在端面圆心处受单位激励时,轴向激励比径向激励产生的振动及声辐射更强,在侧面母线中点处受单位激励时,激起的振动及声辐射,径向最高,切向次之,轴向最低。     

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。     

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。     

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。     

锥柱组合结构振动声辐射特性研究

针对水下航行器尾部结构振动声辐射控制难题,以锥柱组合结构为研究对象,开展水下航行器尾部结构振动声辐射特性研究。首先,基于声固耦合方法,计及流体负载的影响,建立结构振动声辐射评估模型;在此基础上,开展垂向激励力作用下锥柱组合结构振动声辐射特性研究,探究舱壁、环肋和纵向加强筋等结构形式对锥柱组合结构振动声辐射的影响规律。研究表明,1～400 Hz频段,在激励位置附近增设舱壁、适当增加环肋数目可改变结构频谱特性,并有效降低幅值响应,而增设纵向加强筋对结构振动声辐射特性影响不大。     

壳体结构水下辐射噪声FEM/BEM计算

圆柱壳体结构水下辐射噪声计算对于水下航行器设计具有重要的意义。本文基于壳体结构与周围流体介质的耦合作用,建立壳体结构的FEM/BEM数学模型。在理论基础上,利用有限元软件MSC.Nastran建立壳体结构有限元模型并进行修正,并利用声学计算软件LMS Virtual.Lab Acoustic进行辐射噪声计算。本文的方法为预测水下结构辐射噪声提供了一个典型的实例。     

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。     

基于工程应用的加肋板结构的振动特性分析

采用谐波法和傅里叶变换相结合的方法分析了正交周期加肋板结构在谐振力激励下的振动响应特性。通过薄板与加强肋的边界连续条件,建立了水流体负载下的加肋板结构的振动位移方程。根据结构的周期特性、泊松公式及傅里叶变换等数学方法推导出频域内结构辐射声压及加强肋作用力关于周期加肋板结构振动位移的方程表达式,并将其位移表达为谐波量的迭加函数形式,最终通过数值截断方法求解振动位移的谐波分量值。本文分析了加强肋对结构振动响应的影响,并为加肋板结构的声振特性研究提供了一种半解析方法。     

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.     

发动机水下排气噪声预报研究

由于涉及到两相流,所以发动机水下排气噪声的产生机理和辐射特性非常复杂。文章基于Mixture多相流模型、RNGκ-ε湍流模型和Ffowcs Williams-Hawking声学模型对发动机水下排气噪声进行了数值预报研究,并试验测量了相应工况下发动机水下排气噪声,对数值研究的结果进行了验证。结果表明,文中所提出的发动机水下排气噪声数值预报方法在工程上是可行的。     

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.     

基于代理模型的水下航行体头型优化设计方法研究

文章采用Kriging代理模型技术针对水下航行体头型优化设计开展研究。采用CFD方法分析了不同头型水下航行体的流体动力性能,将性能参数作为初始样本建立代理模型;根据测试样本点的预测均方误差选择加点策略更新代理模型,提高代理模型预测精度;采用非劣分类遗传算法对阻力和表面压力开展多目标优化,寻找近似最优解。结果表明:基于代理模型技术的水下航行体头型多目标优化设计方法可以有效提高设计效率,获得具有良好水动特性的航行体头型。     

潜艇艉轴及电机激振对电机基座加速度的影响

电机振动为潜艇噪声的重要振源,掌握其特性对于优化艇体结构设计有着重要的意义。采用结构有限元耦合流体边界元的附加质量阻尼算法,对潜艇的2种不同位置激振的工况进行水下振动计算,并对数值计算结果进行了比较和分析。从离散频率的加速度值和功率两个层面上初步讨论了低频段内艉轴激振力与电机激振力对电机基座上加速度的影响。结果表明：在艉轴激振力比电机激振力大一个数量级的情况下,艉轴激振力对电机基座加速度的影响远小于电机激振力对其的影响,因而可以忽略。在实艇航行中,当艉轴与电机激振力同时存在的情况下,确保了电机振动特征信号测量的准确性。     

船舶水下辐射噪声计算评估方法及应用

本文采用有限元(FEM)和边界元(BEM)相结合的方法对船舶水下辐射噪声进行研究。首先根据船舶的实际情况建立三维结构有限元模型,包括船体结构、压载、主要动力设备及其隔振方式等,然后结合实船测试的柴油发电机组、推进电机机脚振动和轴系中间支撑基座振动数值,及船模试验得到的螺旋桨脉动压力,计算获得流固耦合下结构的响应,最后将船体外壳水线以下结构响应作为约束条件,通过边界元的方法对水下辐射噪声进行计算和分析。从而对船舶设计阶段水下辐射噪声初步评估方法进行修正,同时对比水下辐射噪声实船测试结果,计算准确性较高,修正后的计算评估方法能进一步提高了设计阶段水下噪声的评估精度,为船舶水下辐射噪声控制提供了依据和参考。     

基于重叠网格的重水潜器粘流数值模拟

文章结合一种密度大于水的新型潜器—重水潜器（Heavier-than-water AUV,简称 HTW）,采用 RANS 方法和重叠网格计算了该潜器的水动力性能和绕流流场。文中计算了不同攻角和漂角情况下重水潜器的阻力、升力及俯仰力矩,对其周围流场水动力学性能进行了分析,并通过流场的流动结构研究了受力随姿态变化的规律。文中将采用重叠网格方法的计算结果与 FLUENT 计算值以及风洞试验结果进行了比较,表明重叠网格方法可较好地模拟重水潜器的自由态绕流问题。该研究为该潜器的总体设计与运动控制提供了有价值的参考。     

对称Alpha稳定分布噪声下的Duffing振子检测方法

Duffing振子是利用系统对与策动力同频的小信号敏感而对噪声免疫实现微弱信号检测,特定分布下的噪声激励Duffing振子系统不会发生相变是应用该方法的前提条件。文中主要研究了服从Alpha稳定分布的噪声激励Duffing振子产生相变的鲁棒性问题,研究结果表明Duffing振子相变在Alpha稳定分布源的激励下为小概率事件。为消除小概率相变的影响,利用多支路并行检测及多数判决准则对常规的Duffing振子检测方法进行改进,即将待测信号分段截短周期延拓后送入多个并行Duffing振子检测单元,若检测单元多数发生相变,必然是由于弱目标信号而非噪声激励所致,即可判定检测信号中包含目标小信号。将该方法应用于水下目标回波信号的检测中,实测数据处理结果验证了该方法是有效的。     

水下航行体降噪艉翼填角的数值模拟与试验研究

为降低水下航行体噪声,研究了艉翼填角的降噪效果。分析了水下航行体艉翼接合部马蹄涡影响螺旋桨伴流场的特征,认为马蹄涡对水下航行体噪声产生了不利影响。针对某无人水下航行体(UUV)设计了一种艉翼填角,运用CFD方法对该艉翼填角优化螺旋桨伴流场的效果进行了数值模拟,结果显示伴流场轴向速度的周向不均匀度系数下降35%-62%。将艉翼填角应用于该UUV,开展航行辐射噪声测量试验,结果显示艉翼填角使UUV航行噪声总声源级降低3.4 d B,尤其对低频噪声抑制较好。     

基于最优回归理论的舰船辐射噪声指向性统计模型及分析方法研究

文章在已有单航次的舰船噪声空间特性建模分析方法等研究成果的基础上,进一步研究了若干航次条件下的统计建模及分析方法。该研究主要以单一部位垂向剖面的噪声指向性为例,建立了基于最优回归理论的舰船目标辐射噪声特性的统计模型及分析方法,并开展了海上实测研究,验证了该模型及分析方法的正确性和可行性。该项成果为深入分析不同航行工况下各类舰船目标的噪声空间特性及其统计规律等创造了条件。