不同耦合模式水下结构声辐射计算方法研究

针对水下双层圆柱壳中低频声辐射预报,分别利用基于流固耦合的FE-IBEM法和基于声固耦合的FEIBEM法进行水下声辐射计算,比较上述两种算法在理论和计算特性方面的差异,并通过算例对这两种算法进行分析。另外,还研究了环肋间距以及环肋厚度等对双层圆柱壳结构水下辐射噪声的影响。研究结果表明,流固耦合模式由于忽略了流体的可压缩性使得计算结果偏大,声固耦合模式充分考虑了流体对结构的耦合作用使得计算结果更合理,两种耦合模式在0～12 Hz范围内求解结果近似,在12 Hz～200 Hz范围内求解结果差距较大,基于声固耦合模式的FEIBEM法是计算结构水下辐射噪声的优选方法。合理选择环肋间距以及增加环肋厚度可以降低结构中低频水下辐射噪声。     

无限长双层加肋圆柱壳水下声辐射解析计算

建立了无限长双层加肋圆柱壳水下声辐射解析计算方法,计算模型采用了Donnell壳体理论,考虑环肋、舱壁和实肋板对内外圆柱壳径向反作用力,利用傅氏变换和模态展开在波数域建立了这种计算模型的声弹耦合控制方程.文中推导了所有结构部件以及水介质的速度阻抗表达式,利用稳相法得到远场辐射声压.计算表明,实肋板和舷间水都是重要的声传递通道,在双层圆柱壳水下声辐射计算时必须考虑实肋板和舷间水的振动传递,双层圆柱壳水下声辐射对结构参数(壳板厚度、舷间距离等)变化不敏感.     

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.     

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。     

舰船低频水下辐射噪声的声固耦合数值计算方法

针对舰船低频域水下辐射噪声计算问题,指出采用严格遵循声固耦合动力学方程的耦合声学有限元与远场自动匹配层(FEM/AML)方法以及耦合声学间接边界元(IBEM)方法是计算精度较高的策略。以某小水线面双体船(SWATH)为研究对象,使用声功率作为评价指标,探讨了声场区域特征尺度选取对计算精度的影响,比较了上述两种方法与常规基于流固耦合的两种方法在计算特性方面的差异。研究表明,声固耦合模式较流固耦合模式声学响应计算结果偏小,对于SWATH船的合成总声功率级两者偏差达到1dB~3dB,前者计算结果更为精确,基于声固耦合模式的耦合声学IBEM方法是舰船水下辐射噪声预报的首选算法。     

两端用圆板封口的环肋柱壳振动声辐射性能分析

研究两端用圆板封口的环肋圆柱壳结构在流场中的振动声辐射特性,着重分析了由环肋圆柱壳和端部圆板所围空腔的内部声场对整个系统结构振动和声辐射的影响.基于扩展的Rayleigh-Ritz法,利用Hamilton变分原理推导出圆柱壳与圆板的耦合振动方程.考虑了静水压力的影响,环肋圆柱壳与端部圆板之间采用二自由度弹簧模拟弹性连接的等效刚度.环肋圆柱壳声辐射的研究中,用Helmholtz波动方程和流固交界面上的速度相容条件求得壳体表面辐射声压的表达式,该表达式对有限长圆柱壳进行Fourier积分变换得到壳体外表面辐射声压的解;用Green函数法来求解环肋圆柱壳和端板所围空腔的内部压力场.     

降低双层加肋圆柱壳低频噪声的声学设计技术

通过增大双层加肋圆柱壳的刚度降低低频噪声，使用数值仿真技术，评价结构的声学性能，发现增大双层加肋圆柱壳结构刚度，可在低频段有限频率范围降低结构的振动与声辐射。采用增大局部结构刚度的方法，对于降低水下结构的局部振动与低频噪声辐射效果显著。     

加纵肋平底圆柱壳振动和声辐射的FEM/BEM研究

建立了两端带平底板的加纵肋圆柱壳水中声辐射计算的FEM／BEM三维模型，探究了加肋的高度、宽度、数目对平底圆柱壳表面平均速度、辐射功率、辐射效率、声场指向性的影响规律。计算方法是在有限元软件ANSYS中做加肋平底圆柱壳建模、模态分析基础上，将有关数据（网格、模态）导入边界元软件SYSNOISE中计算流体-结构耦合状态下的辐射声场特性。结果表明：（1）纵肋的高度、宽度以及数目增大都可以引起平底圆柱壳的表面平均速度、辐射功率、辐射效率随频率变化曲线峰的移动，同时使声辐射效率增大，但使表面平均速度、辐射功率变化不明显。（2）纵肋的高度、宽度增大都使低频声辐射中两端平底板的贡献量增大，而使研究频域内的高频声辐射在激励力的反方向上增强。当径向激励力作用在纵肋上时适当调整均布纵肋的数目可以改变平底圆柱壳辐射声场的指向性。这对于水下结构辐射噪声预报以及噪声抑制具有重要意义。     

水中结构振动时声学相似性的数值验证

摘 要：以声学相似性原理为基础,用因次理论得到了在相似准数相等条件下的无因次系数,给出了模型和原型声学相似的条件。采用结构有限元耦合流体边界元方法计算水下相似加肋圆柱壳模型的流固耦合振动和声辐射。数值计算表明在相似条件下几何相似模型的壳体振动声学传递函数及其谱峰频率满足相似性,水下的模态、流固耦合振动响应以及声辐射均满足相似关系,并且与理论结果能够符合。     

夹层充液的双层加肋壳体的振动模态分析

基于流体的波动方程和结构的动力方程,利用有限元方法研究了考虑流固耦合时的双层加肋圆柱壳体的振动特性。论文计算了充液夹层圆柱壳体在加肋和不加肋两种情况下的结构模态,分析了影响结构振动的主要因素,为进一步开展水下航行器的研究提供了一定的依据。     

水下圆柱壳声学代理模型优化设计

为了提高水下结构声学计算的效率,采用有限元软件进行水下圆柱壳结构声辐射分析,建立声学分析近似代理模型,给出壳体结构几何尺寸与水下声辐射特性的显式解析表达式,简化声学计算,建立高效的结构声学优化设计模型。利用拉丁超立方取样方法进行样本点的选取,分别采用多项式响应面法、Kriging函数和径向基函数法构造水下双层圆柱壳结构的声辐射代理模型。通过比较三种代理模型的拟合精度,选择三种代理模型建立双层圆柱壳结构水下声辐射优化设计模型,并采用Matlab进行尺寸优化,减轻了结构质量。该研究为水下结构声辐射预报和声学设计提供参考。     

水下航行器声隐身性能快速评估研究

针对传统水下航行器声隐身性能评估方法计算时间长、实时性不强的缺点,将评估由数值计算问题变为基于多传感器信息融合的模式识别问题来解决。通过将RBF神经网络模型和LVQ神经网络模型相结合,提出了基于组合神经网络的水下航行器声隐身性能快速评估模型。利用加速度传感器测得壳体表面振动信息,抽取分析频段内每个频带的功率作为特征向量,通过组合神经网络模型进行识别分类,快速评估出航行器当前的声隐身状态。并利用水下双层加肋圆柱壳体模拟航行器舱段缩比模型,进行了水下声学试验,验证了方法的实时性和有效性。该评估方法计算速度快、评估正确率较高、通用性较强,可很好地应用于各类水下结构的声学状态评估。     

加筋圆柱壳声辐射特性研究及声学优化设计

为研究全频段加筋圆柱壳声辐射特性,基于VA-ONE建立FE-BEM混合法、FE-SEA混合法及SEA法低中高全频段的计算模型,并进行加筋圆柱壳辐射声功率的计算,从结构固有模态角度研究了各阶模态的声辐射效率。结果表明,加筋能够减小圆柱壳结构的总体辐射声功率,尤其可以减小低频段的辐射声功率;在中低频区,各阶模态的模态辐射效率具有较大差异,在中高频区,则相差不大。进一步研究了激励位置、壳厚、材质及辐射介质对加筋圆柱壳声辐射特性的影响。为减小加筋圆柱壳对外场点的辐射声功率,基于NCT模块及Design Optimization模块进行声学优化设计,结果表明,将GA算法与SQP算法或MMA算法组合使用不仅可以减少运算时间,而且可以获得较好的优化方案。     

基于频响函数求逆法的双层圆柱壳体速度场重构

从双层圆柱壳体结构水下噪声实时预报出发,基于在内壳体上布置大量传感器来监测壳体噪声的工程方法,提出了双层圆柱壳体表面速度场实时重构方法。先试验测量到不同工况下内、外壳振动频响函数,并用H4方法进行估计,再用频响函数求逆法得到内、外壳体响应间的振动传递率矩阵。实际应用时,根据内壳体上有限测点的信号实时重构出当前工况下的外壳体表面速度场,为水下噪声的实时计算提供输入。大型舱段模型试验验证表明该方法现实可行,重构出来的外壳体速度场能满足水下噪声实时预报要求。     

双层圆柱壳振动传递及近场声辐射特性研究

水下加筋圆柱壳体振动和声辐射是近年来研究的一个热点问题。文章从实验和数值计算两个方面,对水下加筋双层圆柱壳的振动传递及声辐射进行了研究。实验模型表面敷设了隔声去耦材料,分为四种工况:双壳全敷设、内全敷设、外全敷设、外部分敷设,对单频激振时内外壳体间的振动传递以及各工况下的近场声压进行了分析。结果表明,托板在内外壳的振动传递中起着较大的作用,内外壳全部敷设隔声去耦材料对抑制振动和声辐射最有效。为了减小托板对振动及声辐射的影响,提出了复合托板结构,即在托板上添加方钢结构,并对含复合托板的圆柱壳声学特性进行了数值研究,表明方钢在中高频段能有效降低壳体的振动及声辐射。     

基于有效线导纳的单筋圆柱壳振动声辐射分析

周向激励下加筋圆柱壳体振动和声辐射特性的研究是预测水下航行器壳体噪声的关键环节。基于有效线导纳理论和有效线导纳对简单圆柱壳体分析的基础，建立周向激励下单筋圆柱壳体的受力模型，得到振动响应计算公式，并对单筋圆柱壳体的振动响应和声辐射功率级进行实例计算和分析。计算结果表明：壳体表面加强筋处的局部振动响应得到有效抑制，幅度可降至原来的1％，但对整个壳体结构声辐射影响较小，功率仅降低1％左右。同时表明有效线导纳的理论能够正确有效地对周向激励下加筋圆柱壳体的振动响应和声辐射进行预报和分析。     

水下航行器声振特性的统计能量法研究

针对有限元法和边界元法难以分析结构的中高频声振特性,采用统计能量分析方法,建立了带动力设备的水下水下航行器结构机械噪声预报模型.通过理论和试验相结合的方法确定水下航行器结构统计能量分析模型的基本参数,对水下航行器结构在宽频带范围内的水下振动和声辐射规律进行了分析与研究.     

不同参数下的单、双层圆柱壳体速度场研究

研究圆柱壳体表面速度场的重构：疗法对潜艇水下辐射噪声的预报具有重要的意义。采用了分区段重构轻外壳速度场的思想，在此基础上建立无限流体中的有限长单、双层加肋圆柱壳模型，分析了壳体表面速度场随不同结构参数的变化规律，并对单、双层圆柱壳体，以及双层圆柱壳体内、外壳的振动响应性能作了一定的比较。得到了单区段壳体长度的选取、模型刚度特性以及不同频段内壳体间耦合作用等对壳体速度场的影响，为研究潜艇轻外壳速度场重构方法提供了理论依据。     

柱式负荷传感器的摆动支承振动分析

动态称重条件下,柱式负荷传感器的支承方式可分为弹性支承和摆动支承。动态称重时,摆动支承的称重系统表现出显著的振动特性,影响称重准确度和负荷传感器的疲劳寿命。针对摆动支承柱式负荷传感器,分析其运动特性得出摆动支承的稳定性条件,得到摆动支承下回复力与摆动角及施加的竖向力近似成正比的关系。利用达朗贝尔原理建立柱式负荷传感器摆动支承振动的动力学控制方程,分别对其自由状态和动态称重状态的动力学响应进行数值计算,得出支承振动振幅和回复时间的影响因素,为动态称重准确度的分析提供参考,同时也可作为称重系统减振的设计依据。     

水下爆炸载荷作用下细长体圆柱壳结构鞭状响应

采用2阶DAA流固解耦技术,对水下爆炸载荷作用下细长体圆柱壳结构的鞭状响应进行分析研究。经模型试验验证后,对细长体圆柱壳梁模型随不同药包爆炸方位、不同爆距及不同低频振动频率耦合程度变化时的鞭状响应进行计算,揭示圆柱壳梁模型在水下爆炸载荷作用下的总体低频运动特性及鞭状响应规律,为研究细长体圆柱壳结构在水下爆炸载荷作用下的鞭状效应总体损伤提供试验基础及理论方法。