舱段结构流固耦合声振特性的模态叠加法研究

圆柱壳加筋结构是水下航行器的主要组成部分,研究复杂柱壳结构的水下振动与声辐射特性具有十分重要的意义.本文以双层加筋圆柱壳舱段为研究对象,考虑舱段外和双层壳体内流体与结构的耦合作用,利用有限元法得到舱段结构的干模态,再利用直接边界元方法得到舱段结构的湿模态,采用模态叠加法研究舱段的流固耦合振动与声辐射特性.文中还比较了不同筋板结构形式和内外壳体内流体耦合作用前后舱段的声辐射特性,分析内外流场对舱段结构噪声辐射的影响规律.     

舰船水下辐射噪声快速预报方法

提出一种高精度舰船水下辐射噪声快速预报方法。首先分析设备基座振动、船体表面振动与辐射声场之间的传递规律,然后建立设备基座振动与水下辐射声压之间的传递函数,并通过理论分析、数值及试验验证设备基座至结构水下辐射声压之间存在着只与频率相关的声振传递函数,即声振传递函数具有不变性。研究表明,基于声振传递函数不变性的舰船水下辐射噪声快速预报方法较有限元法具有较高的预报精度和预报效率,预报速度达到分钟级。     

阻振质量复合托板减振效果试验研究

在双壳舷间结构声传递途径试验分析基础上,提出了阻振质量复合托板结构。通过典型双壳动力舱段振动及声辐射数值试验,分析了阻振质量截面参数、布置位置对刚性复合托板隔振性能的影响规律。通过开展大尺度舱段模型的振动特性试验,验证阻振质量复合托板的有效性。结果表明:阻振质量复合托板显著降低了舱段中高频的振动及声辐射,非耐压壳体20～4 000 Hz频段振动加速度级平均降低3 dB以上。     

双层圆柱壳舷间声通道对壳体声振性能的影响

针对水下航行器壳体辐射噪声问题较大的现状,将其简化为加肋双层圆柱壳结构,采用AML自动匹配声学辐射边界条件技术,考虑内外壳体与舷间/舷外流体之间的耦合,建立了含有舷间流体的双层圆柱壳模型,研究分析了有限元声振耦合法与附加质量法的差异,进而分析了舷间/舷外流体负载、舷间介质及托板对圆柱壳振声性能的影响规律。结果表明:基于AML技术的声振耦合方法对研究水下双层圆柱壳的声振性能更有效;舷间/舷外不同流体负载对结构声振性能影响较大,水的负载效果明显高于空气,低频段起到抑制振动、削减共振峰的效果,而高频段则加大了耦合作用,提高了结构振动响应及辐射效率;在150Hz以下的低频段,舷间为空气时的托板,对结构的振动和声辐射影响较大。     

水下圆柱壳声辐射有源力控制及机理分析

研究了利用力激励进行水下有限长圆柱壳振动声辐射有源控制问题。考虑流固声振耦合作用,根据圆柱壳辐射声功率在周向相互解耦的特性,推导了次级力源最优强度解析表达式,比较了单个力和多个力有源控制后的降噪效果;利用圆柱壳结构振动模态和声辐射模态的对应关系,分析了圆柱壳声辐射有源力控制的物理机理。研究结果表明:多个次级力更能有效地控制壳体产生声辐射的振动部分而达到控制噪声的目的;水下圆柱壳的前几阶声辐射模态的辐射效率很高,而辐射模态幅度较低,有源控制机理在于降低与结构振动模态对应的声辐射模态幅度,从而有效控制结构振动产生的声辐射。     

水下耦合机械噪声源的量化识别及试验

目前水下机械噪声源及其传递路径识别效果较难。为此,将盲源分离算法和传递路径分析方法融合和集成。视多振源信号为卷积混叠,结合LU分解,提出一种新的非正交联合块对角化方法进行耦合振动源的分离。将分离振源作为工况传递路径分析方法的输入振源,建立水下机械振动噪声源识别算法,并对潜艇舱段模型的水下振动-声辐射试验对算法进行验证。结果表明,与现存方法相比,该盲源分离算法具有易实现、收敛速度快、精度高等优点;所集成的源识别算法在水下声场预报和振源贡献量排序中的性能均优于振源耦合时的结果,与实际情况吻合好,达到了高效、准确地识别机械噪声源的目的。     

管路-船体耦合振动及水下声辐射研究

充液管路广泛的应用于船舶冷却、输水等多个系统,其振动与水下声辐射一直是学术与工程中的研究热点。基于阻抗综合法,利用耦合点处力与位移的连续边界条件,采用管路解析公式、船体有限元数值计算、管路支撑测试数据三者相结合的方法对管路-船体耦合系统进行振动与水下声辐射工程预报。该综合方法被应用于一个复杂空间管路-船体耦合模型,并与有限元模型结果对比验证了该方法的正确性。     

加肋圆柱壳水下声辐射数值分析几个问题研究

利用通用数值分析程序以及解析方法计算了单个舱段以及三个舱段单层加肋圆柱壳水下声辐射,获得了结构表面振速到远场辐射噪声的传递函数,对数值分析程序以及解析方法计算结果进行了分析比较,结果表面一个舱段结构和三个舱段结构辐射声场以及传递特性是不同的,采用一个舱段结构模型模拟多个舱段结构水下声辐射特性是不行的.采用了不同密度网格进行计算,结果表明粗网格也可以获得较好计算结果.     

船舶机舱模型振声环境预报与控制

以某航海教学实习船机舱为原型,将此振动-声辐射耦合系统简化为箱形多腔结构,建立多腔结构及其单元腔室有限元模型,考虑液舱布置与充液、激励源处设置隔振器等情况,对结构进行频率响应分析,运用声学边界元法对舱室噪声进行预报,通过对舱室中心场点声学贡献较大的板件进行约束阻尼处理,有效降低舱室噪声。并进行船舶机舱模型振动-声辐射实验。分析表明：研究三舱段船舶机舱模型振声性能时,充液及增加充液舱数,对模型固有频率影响明显,通过设置隔振器能有效降低舱室振声等级,在非激励源舱室敷设约束阻尼材料,也可起到较好降噪作用。     

具有浮筏的有限圆柱壳体的尺度对其振动和声辐射的影响

摘 要：本文研究了安装浮筏系统的有限圆柱壳体的振动和声辐射特性,建立由机器-浮筏-艇体组成的一个复杂动力系统的有限元/边界元模型,并采用该模型对三种方案,即一个舱段、三个舱段、全艇进行水下噪声级预报;讨论了三种不同方案对壳体表面振速和水下辐射噪声级的影响规律,结果表明在潜艇舱段首阶弯曲振动的共振频率以下,用一个舱段模拟整艇的动态特性是不合适的;在高于此频率,采用舱段模型来预报整艇的表面振速是可以接受的。     

Pekeris水声波导环境中水面和水下状态船体辐射噪声的差异分析

基于一个实尺度的单层壳水下船舶结构声辐射计算模型,加载典型的船舶机械激励力。采用Pekeris水声波导环境中的船舶三维声弹性分析方法,计算该模型在极浅水环境水面状态下以及浅海环境水下状态下的辐射噪声。通过数值结果的定量分析,揭示了极浅水环境水面状态下船体水下辐射噪声存在的一些特点,同时,说明了极浅水环境水面状态与浅海环境水下状态下船体辐射噪声的差异。     

分析模型选取对螺旋桨脉动激励引起的水下结构振动与声辐射影响研究

由于激振力作用位置的原因,目前关于水下结构振动与辐射噪声特性问题的分析模型多选用舱段或尾部结构,本文使用有限元/直接边界元方法,分析螺旋桨—轴系—壳体结构这一典型的尾部受迫振动问题,研究不同模型选取对结构振动及声辐射特性的影响,分析表明,使用局部模型将对结构的振动特性、辐射声压分布等特性产生影响,分析结果中略掉了较多的结构振动模态,从而使分析结果不全面,对于水下结构的振动响应分析,建议采用整体结构作为分析模型。     

雨滴冲击下薄板结构声振特性研究

为了研究降雨冲击船体结构所产生的振动和噪声对舱室乘客舒适性的影响，开展降雨模型冲击薄板结构的声振特性研究。单雨滴冲击外部结构所致声振分析是降雨冲击下声振特性研究的基础，因此，以薄板结构为目标对象，建立单雨滴冲击和连续雨滴冲击的载荷模型，利用Comsol软件研究薄板结构在雨滴冲击下声振耦合特性，分析雨滴参数和结构特征对辐射声功率影响。研究发现：雨滴大小对结构的声振特性影响显著；结构刚度对结构在雨滴连续冲击下产生的声功率级响应分布有明显影响；雨滴作用下结构的加筋类型与是否加筋对其产生的振动声辐射有显著影响，且选取合适的结构加筋方式有利于降低结构的振动声辐射；不同材质的薄板结构在雨滴冲击下的辐射声功率略有差异。研究结果对于预测舱室结构在降雨作用下产生的声能大小和对噪声进行控制具有参考价值。     

运动边界相似法及船舶结构动力分析应用

基于结构动力分析原理,以"设备-基座"振动系统为例,证明结构动力分析时力边界与运动边界的统一性;针对结构局部动力参数未知情况,通过保障结构运动边界条件一致,构造结构动力分析"虚拟力",提出结构动力分析的运动边界相似法,解决动力参数未知时给定运动边界条件的结构动力分析问题,并对其有效性进行验证;将运动边界相似法用于船舶结构水下振动声辐射研究,分析船舶水下声辐射特性。结果表明,船舶水下振动声辐射与激励作用位置、激励频率等因素密切相关。船舶结构水下辐射噪声主要集中于激励源附近的中部区域,尾部次之,船首最小;低频段船舶水下声辐射沿船长分布均匀,但随激励频率的提高,水下辐射声场不均匀性逐渐增大,指向性更明显。     

船舶结构建模及水下振动和辐射噪声预报

船舶动力系统的振动通过壳板向水下辐射的噪声的预报一直是非常关键的问题。船舶的声学设计建立在一体化的概念下，本文基于船体与周围声学流体介质耦合作用，建立了带有浮筏结构的动力装置的整个双层壳体船舶的FEM／BEM数学模型。首先利用有限元软件ANSYS建立了水下船舶结构的振动和声场耦合的模型，计算在模拟动力设备激励下船舶壳板的振动，然后利用边界元软件SYSNOISE，对轻外壳面上的法向声强进行预报。     

局域共振型平板结构的低频振动与声辐射特性分析#br#

抑制低频振动与辐射噪声对提高水下航行器的声隐身性能具有重要意义。首先建立含局域共振元胞的平板结构横向振动模型,采用模态叠加法和谐波平衡法导出耦合振动方程的解析解,其次给出5 Hz～300 Hz范围内平板表面平均振速级与辐射声功率级解析表达式,研究元胞中吸振器参数对平板声振特性的影响,最终对目标频段平板结构的振动控制效果进行优化设计。研究表明：研究的频率范围内,局域共振型平板结构在吸振器固有频率附近会产生能够抑制其低频振动与噪声的频带;随吸振器阻尼的增大,减振频带拓宽且减振降噪性能减弱;多振子元胞具有多个减振频带,频带的叠加使得其低频减振降噪性能优于单振子元胞;经粒子群算法优化后在目标频段单振子、双振子、四振子元胞的减振降噪效率分别可达到26.3 %、29.8 %、29.1 %。研究结果可为水下航行器低频振动以及噪声的控制提供参考。     

舱段的声振特性分析和舱壁的振动控制

为降低舱壁振动对圆柱壳舱段声振性能的影响,对舱壁展开结构声学设计,并采用阻尼减振理论措施。在舱壁表面敷设阻尼材料以减小结构振动响应;利用阻抗失配原理,在舱壁根部与壳体连接处添加贴板支撑垫以增大振动波传递损失。采用FEM/BEM法对改进舱壁前后舱段的声振性能进行数值计算,分析舱壁的振动控制效果。结果表明：舱壁敷设阻尼材料和添加贴板支撑垫不仅可有效降低舱段振动和声辐射,也进一步地隔离振动波向舱段壳体的传递,是一种较好的减振降噪措施。     

局域共振型平板结构的低频振动与声辐射特性分析#br#

抑制低频振动与辐射噪声对提高水下航行器的声隐身性能具有重要意义。首先建立含局域共振元胞的平板结构横向振动模型,采用模态叠加法和谐波平衡法导出耦合振动方程的解析解,其次给出5 Hz～300 Hz范围内平板表面平均振速级与辐射声功率级解析表达式,研究元胞中吸振器参数对平板声振特性的影响,最终对目标频段平板结构的振动控制效果进行优化设计。研究表明：研究的频率范围内,局域共振型平板结构在吸振器固有频率附近会产生能够抑制其低频振动与噪声的频带;随吸振器阻尼的增大,减振频带拓宽且减振降噪性能减弱;多振子元胞具有多个减振频带,频带的叠加使得其低频减振降噪性能优于单振子元胞;经粒子群算法优化后在目标频段单振子、双振子、四振子元胞的减振降噪效率分别可达到26.3 %、29.8 %、29.1 %。研究结果可为水下航行器低频振动以及噪声的控制提供参考。     

不同正则化方法在船舶辐射噪声计算中对比与试验研究

为研究不同背景下不同正则化参数方法在船舶辐射噪声评估中的适用性,降低辐射噪声计算误差,介绍了基于工况传递路径分析(OTPA)的船舶辐射噪声计算方法,讨论了奇异值分解(SVD)法、基于L-curve和广义交叉验证(GCV)的Tikhonov正则化方法在辐射噪声传递函数求解问题上的适用性,并进一步提出基于准最优(Q-O)判别准则的Tikhonov法。千岛湖舱段模型水下声辐射试验结果表明:在不同环境下,SVD方法性能最差;在正常环境下,L-curve、GCV和Q-O准则方法性能基本相同;随着背景噪声水平的升高,L-curve方法优于GCV方法,而Q-O准则方法优于L-curve方法,可较L-curve降低辐射噪声误差约0.42 dB,较SVD方法降低约1.19 dB。同时,Q-O准则鲁棒性分析表明该参数可近似视为最佳正则化参数,该方法可为后续实船工程应用提供指导。     

SWATH型科考船柴油发电机组气囊隔振设计方案

小水线面双体船(small waterplane area twin-hull ship,SWATH)型科考船作为承担远洋深海科考任务的特种船舶,对船舶的水下辐射噪声和自噪声控制十分严格。为了控制SWATH型科考船自噪声,针对科考船上主要振动噪声源1 100 kW柴油发电机组采用气囊隔振技术,进行机组气囊隔振系统的设计和计算分析校核,并通过振动测试证明柴油发电机组气囊隔振设计方案具有良好隔振效果,可很好抑制振动源向船体的振动传递,从而降低全船自噪声。