非对称结构对桨—轴系—艇体水下声振耦合特性影响的理论与实验研究

发布时间：2020-10-14 04:43

　　 潜艇艇体结构的声学优化设计是进一步提高潜艇的声隐身性能,更好地发挥潜艇战略作用的有效手段。以往针对艇体内部对称结构如环筋、隔舱壁等对艇体的振动声辐射影响已经开展了一定的研究。而对整艇声振耦合特性影响显著的非对称结构如推力轴承基座等的研究、特别是对相关影响机理的研究不足。本文围绕艇体非对称、非均匀结构对螺旋桨激励下桨-轴系-艇体水下声振耦合特性的影响,综合应用了解析、半解析、数值以及试验方法,建立了从耦合单梁、曲梁一维振动模型到梁-非对称组合壳体振动及声辐射模型,再到复杂壳体-梁等耦合水下振动声辐射计算模型,系统地开展了相关影响规律及其数学物理机理的理论与试验研究。首先,将艇体的振动沿轴向和周向分解,从一维结构入手研究:针对艇体及轴系-艇体耦合系统振动沿轴向的分解,基于变分原理,推导建立了截面质量突变的耦合直梁模型、带有集中偏心单元的直梁模型以及轴系-非对称艇体双梁模型,利用波数展开方法对非对称结构引起的波型耦合、集中单元引起的剪切波能量集中机制进行了研究;针对艇体的周向振动,基于广义壳体理论和哈密尔顿原理,建立了考虑纵向、剪切、弯曲三向变形耦合且带有集中非对称单元的环形曲梁模型,解析地研究了非对称结构引起的结构周向波数的耦合特性,从数学及物理机制上揭示了非对称结构引入的波数耦合特性及其对系统响应的影响。接着,基于广义变分原理建立了轴系-非对称艇体耦合振动半解析模型,综合从一维结构研究中获得的物理机制,对艇上非对称结构对艇体及轴系艇体耦合振动响应的影响规律进行深入研究,并通过不同波数能量输入及周向和轴向能量集中引起的各周向波数间的耦合分析,揭示了产生相关影响的原因;利用结构半解析模型与声场边界元的耦合,建立起艇体水下声振耦合分析模型,对艇体不同周向模态及轴向模态的辐射特性进行研究,建立了艇体表面均方振速各波数能量分量与艇体远场辐射声功率的关系。然后,基于揭示的艇体周向波数及轴向模态耦合贡献机理,开发了基于数值计算或试验测试的波数-频率域分析方法。开发的方法适用于从波数耦合贡献机制上分析复杂非对称结构对桨-轴系-艇体水下声振耦合响应影响规律。利用该方法,针对大尺度潜艇缩比模型分析了艇上关键非对称结构如推力轴承基座等的影响并揭示了相关影响的产生原理。最后,针对建立的潜艇缩比模型、并结合非对称结构研究对比需要,引入对称基座和非对称艇体模型,进行了水下振动和声辐射特性的试验研究。通过不同模型间水下辐射声压的比较,基于测试数据和数值计算数据获得的艇体表面振速波数-频率域谱的相互对比印证,并将测试所得结构模态识别与波数贡献分析结果进行对比,验证了理论分析中所给出的非对称影响规律和揭示的相关机理,也证明了本文基于数值计算数据或试验数据的波数-频率域分析方法的正确性和有效性。本文针对艇上非对称结构对整艇螺旋桨激励下中低频水中振动与声辐射特性的影响规律,系统性地开展了一系列的理论与试验研究,明确了非对称结构的影响规律并揭示了相关机理,具有较强的科学意义和工程指导意义。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U661.44
【部分图文】：

(b)图 1.1 非对称结构对圆柱壳空气中影响试验[96]Fig. 1.1 Experimental models for the vibration test of a cylinder in a密度较大，艇体与声场相互影响强烈，对壳体，特别是组合计算建模与分析变得更为复杂。对于像潜艇这样近似形，由于边界积分对处理无限大问题有着极大的优越性，

图 1.2 轴-艇模型[114]Fig. 1.2 Shafting-hull model的复杂性，加之水下声场和结构的强烈耦合，对于系统的困难，也正因为此，数值方法如耦合有限元/边界元方法成射计算预报最常用的途径。由于数值计算时间成本较高，

图 1.3 鱼雷状艇体模型（a）空气与（b）水中振动声辐射测试[121-123]Fig. 1.3 The test of torpedo-shaped structure in the (a) air and (b) water了在研究机理的同时，增强工程的实际指导意义，在高成本的试验中获导。许多学者采用实际模型的缩比模型进行相关试验研究，对相关的相行了研究。俞孟萨等[127]进一步研究验证圆柱壳体水下振动、声辐射的
【参考文献】

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本文编号：2840199