桨—轴—艇耦合结构的振动和声辐射特性理论与试验研究

发布时间：2017-08-20 04:11

  本文关键词：桨—轴—艇耦合结构的振动和声辐射特性理论与试验研究

  更多相关文章： 桨-轴-艇耦合结构 质量和刚度非均匀性 耦合振动 声辐射 流固耦合

【摘要】：随着各国军事实力的不断进步和发展,潜艇隐蔽性能越来越得到各国的重视,通过对桨-轴-艇耦合结构的振动和声辐射特性研究寻求减振降噪的有效途径,已逐渐成为潜艇振动噪声控制的重要研究方向之一。以往针对简单均匀结构振动声辐射特性研究的方法在满足当前实际工程需求方面存在不足,所以需要探索一种更加准确、高效的桨-轴-艇复杂非均匀结构的建模计算方法,并对其进行机理性分析。本文从理论计算和试验测量两个层面对桨轴艇耦合结构的振动和声辐射特性问题进行了研究,探讨了艇体的质量和刚度非均匀性对其振动和声辐射特性的影响,主要研究内容包括:理论计算方面,本文首先基于半解析区域分解法高精度、高效率的优势,研究了非均匀结构的自由振动和强迫振动问题。其中,非均匀结构包括加肋壳体和桨-轴-艇耦合结构两大类。加肋壳体包括环筋、纵筋、正交加筋和“双周期”加筋结构。在分析中,通过考虑各个周向波数之间、周向波数与轴向波数、对称模态和反对称模态的耦合项,解决了非均匀加筋壳体的振动问题,并从周向波数对结构振动响应贡献的角度研究了结构的耦合模态特性。并在此基础上,建立了桨-轴-艇复杂耦合结构的半解析模型。在以往的研究中,由于螺旋桨建模的复杂性,其对桨轴艇耦合结构振动特性的影响往往被忽视。在本文的模型中,通过考虑模拟螺旋桨三个方向质量的刚性桨以及第一、二阶模态频率的弹性桨,成功解决了该问题。轴系子系统考虑了纵向、横向以及垂向弯曲振动,解决了以往在进行轴艇耦合振动特性分析时,由于建模困难而忽视轴系三向振动的弊端。艇体采用带有隔舱壁的加筋组合壳体进行模拟。轴系与艇体通过弹簧系统连接,并通过考虑其纵向和径向的振动,模拟了艉轴承和推力轴承等结构。该模型解决了以往(半)解析法难以系统地分析桨轴艇耦合结构振动特性的问题,为后续参数化和机理性分析奠定了基础。其次,为了实现对更接近实艇的复杂模型进行求解,本文采用有限元/边界元耦合分析法对带有复杂轴系子系统的桨-轴-艇耦合结构进行了仿真分析。研究了螺旋桨激励力经轴系激励艇体所引起的艇体振动声辐射特性以及螺旋桨激励力下,桨-轴-艇耦合结构在空气中和水中的振动和声辐射特性,并重点考虑了艇体的质量和刚度非均匀性对该特性的影响。分析结果表明:螺旋桨纵向激励力不仅可以激起轴壳耦合结构的纵向振动模态,还可以激发结构的弯曲振动模态。对于非均匀艇体,无论是在螺旋桨纵向激励力下或者垂向激励力作用下,在局部频段上均会出现由于附加质量所引起的局部鼓出模态与艇体弯曲振动耦合的模态所引起的共振峰,只是纵肋和附加质量与艇体模态在对应不同的共振峰时的耦合程度有所不同,并分析了质量和刚度非均匀性对附连水质量系数的影响。另外,还可以发现艇体在某些模态出现纵向伸缩的同时会伴有周向局部鼓出的现象,从而引起结构的纵向模态与周向模态的耦合,产生辐射声。本文在进行流固耦合分析时,先基于有限元ANSYSTM软件获取结构的干模态,然后在此基础上,通过边界元Virtual Lab AcousticsTM软件计算结构的湿模态,并研究其声辐射特性,避免了传统方法需在有限元软件中建立流体域的过程,从而大大地提高了数值仿真计算效率。试验研究方面,为了验证所建理论模型的正确性以及揭示复杂耦合结构在水中的振动声辐射特性规律,本文设计并搭建了螺旋桨-轴系-壳体耦合结构的试验,并分别研究了艇体在空气中和水中的振动特性。结果发现:试验结果与理论计算结果误差很小,说明仿真模型的可靠性和本文所采用的模态叠加法声学计算方法所得结果的正确性。此外,还在水中对该耦合结构进行了声学测试,通过将测试结果与仿真结果进行对比分析,进一步验证了理论模型在计算结构水中声辐射问题方面的正确性,并证实了通过仿真分析所得出的桨轴艇的耦合振动声辐射特性规律,同时探讨了艇体的质量和刚度非均匀性对其振动声辐射特性的影响。
【关键词】：桨-轴-艇耦合结构 质量和刚度非均匀性 耦合振动 声辐射 流固耦合
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661.44
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-28
• 1.1 工程背景及课题意义9-10
• 1.2 国内外研究状况10-23
• 1.2.1 单个壳体11-13
• 1.2.2 加筋壳体的结构振动13-16
• 1.2.3 组合壳体的结构振动16-18
• 1.2.4 轴系-艇体耦合结构振动与声辐射研究概述18-22
• 1.2.5 潜艇振动噪声有待解决的问题22-23
• 1.3 本文研究思路和研究内容23-28
• 1.3.1 研究思路23-24
• 1.3.2 研究内容和框架24-28
• 第二章 加肋壳体振动特性研究28-86
• 2.1 引言28-35
• 2.1.1 壳体理论与振动分析方法30-35
• 2.2 加肋圆锥壳模型35-42
• 2.2.1 圆锥壳的能量36-39
• 2.2.2 圆锥壳上环肋的能量39-41
• 2.2.3 环肋圆锥壳的能量41-42
• 2.3 计算结果讨论42-48
• 2.3.1 验证方法的正确性和精度42-44
• 2.3.2 肋骨参数对于加肋壳固有频率的影响44-47
• 2.3.3 弹性边界对于加肋壳固有频率的影响47-48
• 2.4 加肋圆柱壳模型48-55
• 2.4.1 圆柱壳的能量50-51
• 2.4.2 环肋和纵肋的能量51-54
• 2.4.3 正交加肋圆柱壳的能量54-55
• 2.5 计算结果讨论55-83
• 2.5.1 圆柱壳加纵肋55-67
• 2.5.2 圆柱壳加“双周期”环肋67-77
• 2.5.3 圆柱壳加纵肋和环肋77-83
• 2.6 本章小结83-86
• 第三章 轴系-组合壳体耦合结构的振动特性研究86-147
• 3.1 引言86-88
• 3.2 螺旋桨-轴系-组合壳体耦合结构的力学模型88-99
• 3.2.1 桨-轴系统的计算公式90-92
• 3.2.2 组合壳体结构的计算公式92-99
• 3.3 组合壳体振动分析99-118
• 3.3.1 圆柱壳-球壳组合壳体的振动99-103
• 3.3.2 球壳-圆柱壳-球壳组合壳体的振动103-106
• 3.3.3 圆锥壳-圆柱壳-球壳组合壳体的振动106-118
• 3.4 桨-轴-组合壳体振动分析118-134
• 3.4.1 轴系-组合壳体118-125
• 3.4.2 弹性桨-轴系-组合壳体125-129
• 3.4.3 刚性桨和弹性桨比较129-134
• 3.5 桨-轴-艇耦合结构振动控制措施134-139
• 3.5.1 对称基座模型的建立134-138
• 3.5.2 轴系偏心模型的建立138-139
• 3.6 桨-轴-艇复杂耦合结构模型139-145
• 3.7 本章小结145-147
• 第四章 桨-轴-艇耦合结构的声辐射特性研究147-186
• 4.1 引言147-149
• 4.2 振动和声耦合数值计算149-153
• 4.2.1 有限元法基本理论和公式150-151
• 4.2.2 边界元法基本理论和公式151-153
• 4.3 桨-轴-艇体结构计算模型153-155
• 4.4 桨-轴-艇体结构模态分析155-160
• 4.5 轴系引起的艇体振动和辐射声特性分析160-185
• 4.5.1 螺旋桨激励力传递路径161-167
• 4.5.2 桨-轴-艇体模型的声辐射特性分析167-185
• 4.6 本章小结185-186
• 第五章 桨-轴-艇耦合结构的振动声辐射试验研究186-217
• 5.1 引言186-187
• 5.2 桨轴艇耦合系统空气中振动试验187-192
• 5.2.1 试验对象187-188
• 5.2.2 试验设备及参数设置188-189
• 5.2.3 试验内容及测试结果189-192
• 5.3 桨轴艇耦合系统水下振动和噪声试验192-215
• 5.3.1 试验对象192-196
• 5.3.2 试验设备及参数设置196-199
• 5.3.3 试验内容及测试结果199-215
• 5.4 本章小结215-217
• 第六章 总结及展望217-222
• 6.1 全文工作总结217-219
• 6.2 创新点219-220
• 6.3 研究展望220-222
• 参考文献222-234
• 攻读博士学位期间发表的论文及奖励234-236
• 致谢236-239

，

本文编号：704532