基于光滑点插值法的船舶中频噪声模拟研究

发布时间：2020-09-28 09:02

　　随着对军用舰艇隐蔽性和民用船舶舒适性要求的提高,需要在船舶设计阶段充分考虑噪声控制,方可避免反复设计与制造,降低建造成本并加快建造进度。在此过程中,只有进行准确的噪声计算,才能有效指导船舶的结构声学设计,而船舶结构中频噪声的数值模拟一直是振动噪声分析中亟待解决的难题之一。本文从传统有限元法(FEM)在中频噪声模拟中出现严重色散误差的本质原因出发,针对有限元法模型刚度过硬的特性,采用广义梯度光滑技术(GGST)软化数值模型的刚度,将单元基光滑点插值法应用到船舶结构噪声三维问题的计算中。通过研究已有单元基光滑径向点插值法的刚度特性及其对计算结果的影响,提出了一种合理控制模型刚度的思路及相应的数值模型,即带有8个虚拟节点的单元基光滑径向点插值法(CSRPIM-T5-Cd8)。为了验证方法的准确性,对管道声学的基本算例进行了谐响应分析和特征值计算,表明了新方法在中频段噪声的计算中,精度和效率相比4节点四面体单元(FEM-T4)有显著提高,甚至超过改进的8节点六面体单元(MIR-H8)。同时,CSRPIM-T5-Cd8采用商业软件可以自动生成的四面体单元作为背景网格,且对畸变网格不敏感,可以减少前处理时间,具有极大的工程应用潜力。在此基础上,把CSRPIM-T5-Cd8应用到船舶发动机舱室和水下结构辐射噪声的声学仿真中,来进一步验证方法的实用性。结果表明,与FEM-T4相比,CSRPIM-T5-Cd8无论对内声场问题还是外声场问题都能有效抑制色散误差,使得它在中频段表现出色,可以应用到实际工程上的中频噪声数值模拟。最后,结合基于边基光滑有限元法(ESFEM)的二维Mindlin板单元和基于CSRPIM-T5-Cd8的三维声学单元对结构声振耦合问题进行模拟分析。研究发现,由于ESFEM/CSRPIM-T5-Cd8耦合法合理构造了结构刚度和声场刚度,不但计算得到的耦合频率更接近参考解,而且频率响应分析的可计算范围得到有效扩展。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U661.44
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 本文研究内容
2 声学光滑点插值法计算模型
    2.1 声学Helmholtz方程
    2.2 双重弱形式离散方程
        2.2.1 Galerkin弱形式
        2.2.2 广义梯度光滑的Galerkin双重弱形式
    2.3 三维单元基光滑径向点插值法
        2.3.1 径向基点插值形函数
        2.3.2 支持点选取方案
        2.3.3 浓缩的形函数
    2.4 模型刚度控制思路
    2.5 本章小结
3 管道噪声的模拟分析
    3.1 声学误差和中频段定义
    3.2 声场的谐响应分析
        3.2.1 声压波形结果
        3.2.2 收敛性分析
        3.2.3 计算效率比较
        3.2.4 声场误差控制
        3.2.5 网格畸变灵敏度
    3.3 声场的特征值预测
        3.3.1 声腔自由模态的特征值计算
        3.3.2 特征值对全局误差的影响
    3.4 本章小结
4 船舶发动机舱室内声场模拟
    4.1 发动机舱室的固有频率计算
    4.2 发动机舱室的声压分布
        4.2.1 声压分布云图
        4.2.2 定义路径的声压变化曲线
    4.3 关注位置的频率响应曲线
    4.4 本章小结
5 水下结构噪声辐射外声场模拟
    5.1 脉动球体的辐射外声场分析
    5.2 水下潜艇的辐射外声场分析
        5.2.1 潜艇辐射外声场剖面的声压分布云图
        5.2.2 潜艇辐射外声场场点的频率响应曲线
    5.3 本章小结
6 结构声振耦合模型的振动噪声分析
    6.1 结构域的边基光滑有限元法计算模型
        6.1.1 二维Mindlin板单元
        6.1.2 离散剪切间隙法
        6.1.3 边基光滑有限元法计算模型
    6.2 结构-声场耦合方程
    6.3 柔性板与声腔的声固耦合分析
        6.3.1 特征频率计算
        6.3.2 频率响应分析
    6.4 本章小结
结论与展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】