船舶三维声弹性理论

发布时间：2018-01-01 09:27

  本文关键词：船舶三维声弹性理论　出处：《中国舰船研究院》2014年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：多年来，国内外对船舶结构流固耦合振动和声辐射特性问题开展了许多理论和试验研究。许多研究针对大为简化的平板、加筋平板、加筋圆柱壳等典型结构形式，在无界均匀介质中的振动与声辐射；试验研究亦多为缩尺度模型机理试验。尽管该领域的研究取得了很大的进展，如何科学地反映流体与水中结构在振动与声辐射过程中的耦合作用，分析阐明一艘船舶在不同水深、不同潜深、不同方位和距离上形成辐射声场的分布特征和相互之间的差异，说明振动、船体近旁自噪声和远场辐射噪声之间的传递和演变规律，成为船舶振动噪声领域关注的一个问题。这要求进一步发展一个适于任意形状的、具有复杂内外结构的船舶，能计及自由液面、海底及航速影响，具有可接受的工程计算精度，计算量能为现有船舶研究与设计部门的计算机系统能力承受的船舶三维声弹性计算分析理论和方法。 本文正是针对该工程背景，在Wu（1984）建立的浮体三维水弹性力学理论的基础上，有所创新和拓展，发展建立了船舶三维声弹性理论及计算方法。具体包含六部分内容。 第一部分，通过引入计及自由液面效应的理想可压流体Green函数，并基于Price-Wu广义流固界面条件，建立了带航速和考虑自由液面的均匀声介质中的船舶三维声弹性理论。该理论既适用于声辐射问题，也适用于声散射问题。由于在船舶声弹性理论中计入了航速的影响，理论上更加完备。量阶分析和数值计算表明，航速对船舶流固耦合振动及水下声辐射会有影响，但其影响主要限于低频域及近场区。 第二部分，针对我国近海的实际情况，重点考虑浅海海底与水面的影响，暂不计及海水密度与声速等的变化与分层，将均匀声介质中的船舶三维声弹性理论与海洋声传播理论相结合，引入Pekeris水声波导模型，建立了有限水深海洋声学环境中的船舶三维声弹性理论及分析方法。详细论述了耦合求解三维结构声弹性响应的动力学方程和水声传播方程的方法与步骤，并针对常见浅海的特征，给出了Pekeris波导Green函数的近似级数表达式，有效降低了数值计算的复杂度、减少了计算量。 第三部分，为提高上述船舶三维声弹性理论及分析方法的工程实用性，建立了三种配套的有助于增加计算效率和解决常用工程问题的专用计算方法： 其一，船舶声弹性子结构分离与集成方法（SSSI方法）和解析/数值混合子结构方法（MANS方法）。建立了能有效提高计算效率，特别适用于解决船体内部子结构（如横舱壁、铺板、基座等）振动噪声传递效果分析及优化的船舶声弹性子结构分离与集成方法。其主要思想是：将主船体与船内子结构分离，采用模态综合超单元方法形成子结构的输入输出自由度缩聚动刚度矩阵，采用三维声弹性方法实现主船体与水介质的流固耦合求解，通过边界连接条件完成主船体与子结构的综合集成。进而针对潜艇类水下船舶主体结构的特征，采用两端简支单层加肋圆柱壳解析计算模型来描述主船体结构，应用解析方法求解流固耦合作用，建立了解析/数值混合的声弹性子结构方法。该方法可有效提高计算效率和扩展计算频段范围。 其二，敷设声学覆盖层的船舶三维声弹性分析方法。针对船舶表面敷设声学覆盖层降低声目标强度和水下辐射噪声这一工程问题，进一步建立了敷设声学覆盖层的船舶三维声弹性力学理论和计算方法。通过引入描述声学覆盖层内外表面间声振传递的四端参数法，实现“船体结构 声学覆盖层 水介质”的声振耦合求解。 其三，双流域耦合的三维声弹性分析方法。针对双层壳水下船舶存在舷间水耦合的特点，进一步发展了双流域耦合的船舶三维声弹性计算方法，扩展了工程应用的范围。 第四部分，针对简单源汇分布法（简称简单源方法）中不规则频率问题，提出了虚拟阻抗封闭曲面法（CVIS方法）。以往在声弹性领域的边界元计算中较多地采用Helmholtz积分方法，先后曾发展了多种应用Helmholtz积分方法时处理不规则频率处解的非唯一性问题的方法。采用简单源汇分布法求解声场时同样存在不规则频率问题。本文根据简单源汇分布法中不规则频率产生的机理，提出了在浮体内部的虚拟流场中引入一个虚拟的阻抗封闭曲面，用于吸收声振能量，抑制内部虚拟流场的共振，有效地消除了声学问题求解时易出现的不规则频率。 汇聚上述内容，形成了一套较完整的可用于分析复杂船舶结构低中频段振动与声辐射的声弹性理论框架、数值方法和应用工具。在此基础上，编制了数值计算程序，作为一个单独的模块（声学计算模块）并入到大型水弹性计算软件THAFTS中。 第五部分，本文采用算例与解析解的比对和试验验证的手段，对理论、计算方法和计算程序模块的正确性、实用性进行了考核验证。其中的试验验证包括开阔有限水深环境中小尺度舱段结构的声辐射试验验证和水池内实尺度船体舱段结构振动响应及水中声辐射的试验验证。比对和验证的结果表明，本文所述的理论方法和计算程序能有效应用于复杂船舶结构的声弹性响应分析预报。 第六部分，围绕在船舶辐射噪声工程领域人们密切关注的问题，利用本文建立的理论、计算方法和软件开展了选取不同采样时段声压信号对船舶声源级评定的影响、不同距离处的声压值对船舶声源级评定的影响、不同水深和潜深环境对船舶辐射噪声的影响以及不同方位的声压特征对船舶声源级评定的影响四方面的应用研究。据于该研究的数例，建议了可操作性较强、能稳定地反映船舶辐射噪声频谱特征及噪声级评定结果的采样和声压信号处理方法；给出了不同水深和潜深环境中船舶近远场辐射声的分布特征、可供参考的初步规律；提出了利用本文的方法和程序计算一艘船在不同水深和潜深环境中的辐射噪声频谱，进而归纳出该船在给定频段内的总声级在不同水深与潜深中换算关系的修正图谱的建议，并给出了两幅可用于把示例船在浅水或小潜深状态下的噪声级采样评定结果修正到其它水深潜深的图谱的例子。最后，给出了应用本文开发的计算软件预报多种机械设备激励引起的实船结构振动和水下辐射噪声的简要示例，与测试结果作了比对，说明了方法与软件的可用性。目前，该计算方法与软件已在多个工程项目中应用。
[Abstract]:Many theoretical and experimental studies have been carried out on the vibration and acoustic radiation characteristics of ship structures at home and abroad for many years . Many researches have focused on the vibration and acoustic radiation in the non - bounded homogeneous medium in the typical structures such as flat plate , stiffened plate , stiffened cylindrical shell , etc . Based on the theory of three - dimensional hydro - elastic mechanics established by Wu ( 1984 ) on the basis of the engineering background , this paper develops and develops the theory and calculation method of ship ' s three - dimensional acoustic elasticity . In the first part , the theory of three - dimensional acoustic elasticity of ship in uniform acoustic medium with speed and free surface is established by introducing the ideal compressible fluid Green function of the effect of free liquid surface . The theory is not only applicable to acoustic radiation , but also to the problem of acoustic scattering . In the second part , aiming at the actual situation of the near sea in China , the influence of the shallow sea floor and the water surface , the temporary uncounted and the change and the layering of the sea water density and sound speed are emphatically considered , and the three - dimensional acoustic elasticity theory of the ship in the homogeneous acoustic medium is combined with the ocean sound propagation theory , and the three - dimensional acoustic elasticity theory and the analysis method of the ship in the ocean acoustic environment with limited water depth are introduced . The third part , in order to improve the engineering practicability of the three - dimensional acoustic elasticity theory and the analysis method of the ship , establishes three special calculation methods which can help to increase the calculation efficiency and solve the common engineering problems : The main idea of this method is to separate the main hull from the substructure of the ship , and to use the modal synthesis superunit method to solve the vibration noise transmission effect analysis and optimization of the substructure of the hull ( such as transverse bulkhead , planking , base , etc . ) .

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本文编号：1363936