流固耦合船体结构振动计算研究

本文基于水弹性理论，对船体结构的流固耦合振动问题进行了研究，计算分析了波浪中的船体结构振动的固有频率及响应，取得了一些有价值的结果，为实际的船舶设计提供了一定的参考依据。     

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FE-IBEM法进行水下声辐射计算,比较上述两种算法在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小,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,基于声固耦合模式的FE-IBEM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。     

船舶水下辐射噪声抑制的声振相关性方法

船舶水下辐射噪声与船体振动的耦合关系是非常复杂的,识别水下辐射噪声与船体振动相关性较高的部位,确定影响水下辐射噪声的关键因素,对降低噪声具有重要工程意义。基于声振耦合分析原理,提出船舶水下辐射噪声抑制的声振相关性方法,探讨了船舶水下辐射噪声与结构振动特性、船上振源的频谱和船体振动响应等的相关性定量评价指标,厘清各因素对水下辐射噪声的影响规律。舱段及拖轮降噪设计示例表明,相关性定量评价指标的计算量小,根据指标值可以高效确定与水下辐射噪声相关性高的结构及影响参数,实现船舶水下辐射噪声的高效抑制设计;通过调整振源附近湿表面的板厚,舱段和拖轮的声功率总级分别降低了5.66 dB和4.84 dB,但振动减小幅度与噪声降低幅度并不是线性的。     

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。     

非对称船体梁弯扭耦合振动试验及分析

为了验证一种基于薄壁结构力学理论，考虑了翘曲，剪切，剖面转动以及结构不连续性影响的薄壁梁有限元模型的适用性，针对航空空母舰这种具有不对称结构的船型进行了弯扭耦合振动试验，并就试验结果和计算结果作了分析和比较。     

液-管耦合空间管路系统振动噪声的有限元分析方法

以包含设备和辅件在内、可具有分支结构的实际管路系统为研究对象,考虑内部流体介质和管路结构的相互作用,建立了液-管耦合振动噪声动力学分析的一体化有限元模型。给出了管路系统有限元模型的理论基础和典型有限元刚度矩阵单元的解析表达式,以及将管路隔振和消声器件阻抗试验数据引入有限元分析的转换方法。通过较为复杂的算例,分别对消声压力筒和管路挠性元件的噪声、振动衰减作用进行了研究。     

基于SYSNOISE的建筑模板耦合振动及声辐射特性研究

基于有限元和边界元理论的结合，利用大型有限元分析软件ANSYS和声振分析软件SYSNOISE，建立了重流体介质与半封闭结构的耦合振动声辐射模态分析模型，并采用结构有限元和流体有限元相结合，以建筑圆柱钢模板的振动声辐射为例进行模态分析、振动响应以及声辐射特性分析，得到了在流体加载下模板的耦合模态振型、结构的节点位移、结构能量等等。还利用CAE软件结果的可移植性，考虑了半封闭加筋圆柱结构内外分布不同介质时，实现了双边耦合振动声辐射分析求解。这一求解方法的实现对今后该类振动声辐射分析提供了重要的参考。     

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。     

管路振动噪声对船舶总体声隐身特性的影响

船舶声隐身性能由其自身的噪声量级确定,而管路系统的噪声又是船舶噪声的重要组成部分,由于管路噪声有其自身的特点,因此对于船舶声隐身性能的影响也具有其特殊性。结合工程实践分析船舶管路振动噪声与船舶总体声隐身特性的关联关系,得出管路的水动力噪声是影响船舶声纳平台区自噪声的主要干扰源之一的结论。围绕管路水动力噪声的生成特点,提出几点工作建议供同行参考。     

船舶水下结构噪声的研究概况与趋势

从船舶水下结构噪声的计算、实验及其控制方面,回顾了舰船水下结构噪声的研究概况。对不同的计算、 实验及降噪的理论和方法进行了总结和评价,为今后的发展提出了一些看法。     

主动隔振与水下声辐射控制的实验研究

建立一个包括有机玻璃水箱和主动隔振器的实验系统,研究主动隔振对降低结构振动及其声辐射的有效性。实验模型的建立是基于流固耦合系统的有限元分析和局部模态测试,通过数值分析确定辐射面的振动模态以及辐射声场分布。扰动源的干扰频率接近辐射面固有频率,在水中形成共振状态下的辐射声场。扰动源采用四点主动隔离,四个电磁作动器同时控制并采用自适应对消算法,抑制扰动源周期性干扰引起的振动。实验结果表明主动隔振能够明显降低平板的辐射声压。     

复合材料夹芯圆柱壳水下振动和声辐射的三维弹性解

为获得复合材料夹芯圆柱壳的振动声辐射准确解,在厚度方向将壳体分成若干薄层,基于三维弹性理论和状态空间技术,对每一薄层建立状态空间方程,并结合位移和应力连续条件,建立横向位移和应力的传递矩阵。外表面的流体载荷和内表面的点激励通过傅里叶级数展开,并代入状态空间方程,获得了复合材料圆柱壳水下振动和声辐射的弹性准确解。应用具体算例,与有限元仿真和文献计算结果对比。结果表明,本文的三维弹性理论相较于近似的二维壳体理论更加准确。进一步研究了铺层角、表层和芯材厚度分布及材料损耗因子对振动声辐射的影响。计算结果表明,在环频率以下的频段,声功率峰值点数目随铺层角度增加呈“抛物线”型变化趋势;在环频率以上的中高频段,随着铺层角度增加,声功率峰值点数目呈先增加后趋于平缓然后继续增加的趋势。随着芯材损耗因子的增加,声功率峰值逐步降低,但下降幅度减小。      

水中板声辐射的声功率模态分析

由于水中结构的振动声辐射要考虑流体加载效应,因此水中结构声辐射的模态分析也与空气中的有所不同。基于辐射声功率的二次型表达式,采用有限元和Rayleigh积分耦合方法,对板结构的水下声功率模态进行了计算分析研究,通过辐射效率、模态振型和辐射声功率等探讨了其特点。结果表明以激励力为变量、考虑了结构阻抗的水下声功率模态具有各阶模态声辐射独立、低频时前几阶模态(特别是第1阶模态)的声辐射占主导地位、模态辐射效率峰值和模态振型物理意义清楚等特点,在水下结构振动声辐射的分析和控制方面有一定实用价值。     

水下等离子体声源放电特性和声特性实测与分析

在小型消声水池中,同步测量水下等离子体脉冲声源的放电特性和声特性,实验分析研究了其在单电极和多电极下负载注入峰值功率和放电能量对声特性的影响。结果表明,在相同的电极数和间距下,直达波脉冲声源级仅与负载注入峰值功率有关,气泡脉冲声源级和气泡周期则主要受放电能量影响,多电极放电通过减小单根电极放的电能量来减小气泡脉冲声源级和气泡周期。此外,在相同的充电电压下,减小充电电容对电极数的比,可以增大直达波脉冲声源级并压制气泡脉冲;负载注入峰值功率对放电能量的比对声特性的影响也呈现出类似规律。实测及其分析结果可为进一步优化水下等离子体脉冲声源的声特性提供参考。     

水下目标吸声材料和结构的研究

全面了解和掌握水下吸声材料及结构在应用频率范围内其不同温度、压力等环境下的声学性能,对于水下目标结构的声隐身设计具有重要意义.结合近年来水下目标吸声材料和结构的应用及研究,从材料声学设计的角度,讨论了水下吸声材料的声学特性和研究进展.还对水下吸声结构的形式、吸声机理和应用情况进行了归纳和评述.最后预测了水下目标吸声材料和结构的发展趋势.     

轴—壳体系统耦合振动的建模与分析

耦合振动建模与分析是振动控制的基础。针对末端带有集中质量的轴与加筋壳体的耦合系统,分别利用解析法和有限元法计算轴系导纳和加筋壳体导纳,并将艉轴承与推力轴承作为子结构连接单元,通过频响函数综合进行模型合成,得到整个系统的频域描述模型。在此模型基础上,分析了系统振动固有特性及其随轴承刚度的变化规律,并讨论在轴上实施纵向振动控制的可行性。结果表明,推力轴承刚度改变轴系纵振频率,对纵振能量传递有明显影响;轴系纵向振动不仅会引起壳体纵向共振,还会引起壳体弯曲振动,形成轴-壳体纵横耦合模态;轴的纵向振动控制可以减小耦合系统振动。     

复杂隔振结构激励下弹性基础振动及声辐射分析

针对隔振结构-弹性基础耦合结构向外声辐射问题,本文采用刚体理论及改进的傅里叶级数方法建立以任意边界弹性板为基础的双层隔振耦合结构数学模型。采用瑞利-里兹方法得到整个耦合结构的强迫振动响应,继而通过提取表面振速分布计算基础弹性板向外的辐射声功率。结合隔振结构的布置情况,以隔振器安装点的振动作为表征,探讨了耦合结构振动模态与基础板声辐射模态之间的耦合对应关系。最后计算并分析了基础边界条件对基础板向外辐射声功率的影响。     

水声材料宽带隔声测试方法研究

水声材料声学测试主要包括吸声测试和隔声测试等,在水声工程中,水声材料声学测试具有非常重要的地位。为解决传统自由场方法测试频率下限过高而无法完全满足实际工程应用和研究需要的难题,基于B＆K3560C数据采集分析系统和大型消声水池,提出了一种以脉冲调制的宽带白噪声为测试信号、以组合宽带换能器为发射系统、以虚拟仪器测试技术为基础的新的水声材料宽带隔声测试方法,并用于钢板的水下隔声测试。实测结果表明：在测试频带500Hz～20kHz范围内,平均偏差仅为0.25dB,低频限达到2kHz左右。与常规测试方法相比,该方法在测试效率、测试精度和低频限等方面改善效果明显,且易实现,值得推广。     

聚氨酯涂层的水下吸声性能研究

以聚氨酯为涂层基体，研究了石墨作为填料对涂层吸声性能的影响。实验结果表明石墨改变涂层密度，提高涂层的吸声系数。合成了高性能的吸声涂层，该涂层随着水压增加，涂层的吸声系数增加。水压在3MPa时，平均吸声系数达87．6％。     

基于相似理论对水下复杂壳体的振动和声辐射预报

采用有限元和球函数相结合的方法，建立水下复杂壳体——两端带半球壳的加肋弹性圆柱壳的振动、耦合振动和声辐射方程，运用方程分析法，导出水下复杂壳体的振动、耦合振动和声辐射的相似关系，根据建立的相似关系实现对壳体的振动响应和声辐射的预报。采用大型有限元软件ANSYS对具有相似关系的模型和原型的振动响应和尸场进行分析，算例表明，方法切实可行并且为预报水下大型复杂结构体的振动响应和耦合声场提供了一种简洁、实用的研究方法。