本文關(guān)鍵詞：船舶三維聲彈性理論　出處：《中國艦船研究院》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：多年來，國內(nèi)外對船舶結(jié)構(gòu)流固耦合振動和聲輻射特性問題開展了許多理論和試驗研究。許多研究針對大為簡化的平板、加筋平板、加筋圓柱殼等典型結(jié)構(gòu)形式，在無界均勻介質(zhì)中的振動與聲輻射；試驗研究亦多為縮尺度模型機(jī)理試驗。盡管該領(lǐng)域的研究取得了很大的進(jìn)展，如何科學(xué)地反映流體與水中結(jié)構(gòu)在振動與聲輻射過程中的耦合作用，分析闡明一艘船舶在不同水深、不同潛深、不同方位和距離上形成輻射聲場的分布特征和相互之間的差異，說明振動、船體近旁自噪聲和遠(yuǎn)場輻射噪聲之間的傳遞和演變規(guī)律，成為船舶振動噪聲領(lǐng)域關(guān)注的一個問題。這要求進(jìn)一步發(fā)展一個適于任意形狀的、具有復(fù)雜內(nèi)外結(jié)構(gòu)的船舶，能計及自由液面、海底及航速影響，具有可接受的工程計算精度，計算量能為現(xiàn)有船舶研究與設(shè)計部門的計算機(jī)系統(tǒng)能力承受的船舶三維聲彈性計算分析理論和方法。 本文正是針對該工程背景，在Wu（1984）建立的浮體三維水彈性力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，有所創(chuàng)新和拓展，發(fā)展建立了船舶三維聲彈性理論及計算方法。具體包含六部分內(nèi)容。 第一部分，通過引入計及自由液面效應(yīng)的理想可壓流體Green函數(shù)，并基于Price-Wu廣義流固界面條件，建立了帶航速和考慮自由液面的均勻聲介質(zhì)中的船舶三維聲彈性理論。該理論既適用于聲輻射問題，也適用于聲散射問題。由于在船舶聲彈性理論中計入了航速的影響，理論上更加完備。量階分析和數(shù)值計算表明，航速對船舶流固耦合振動及水下聲輻射會有影響，但其影響主要限于低頻域及近場區(qū)。 第二部分，針對我國近海的實際情況，重點考慮淺海海底與水面的影響，暫不計及海水密度與聲速等的變化與分層，將均勻聲介質(zhì)中的船舶三維聲彈性理論與海洋聲傳播理論相結(jié)合，引入Pekeris水聲波導(dǎo)模型，建立了有限水深海洋聲學(xué)環(huán)境中的船舶三維聲彈性理論及分析方法。詳細(xì)論述了耦合求解三維結(jié)構(gòu)聲彈性響應(yīng)的動力學(xué)方程和水聲傳播方程的方法與步驟，并針對常見淺海的特征，給出了Pekeris波導(dǎo)Green函數(shù)的近似級數(shù)表達(dá)式，有效降低了數(shù)值計算的復(fù)雜度、減少了計算量。 第三部分，為提高上述船舶三維聲彈性理論及分析方法的工程實用性，建立了三種配套的有助于增加計算效率和解決常用工程問題的專用計算方法： 其一，船舶聲彈性子結(jié)構(gòu)分離與集成方法（SSSI方法）和解析/數(shù)值混合子結(jié)構(gòu)方法（MANS方法）。建立了能有效提高計算效率，特別適用于解決船體內(nèi)部子結(jié)構(gòu)（如橫艙壁、鋪板、基座等）振動噪聲傳遞效果分析及優(yōu)化的船舶聲彈性子結(jié)構(gòu)分離與集成方法。其主要思想是：將主船體與船內(nèi)子結(jié)構(gòu)分離，采用模態(tài)綜合超單元方法形成子結(jié)構(gòu)的輸入輸出自由度縮聚動剛度矩陣，采用三維聲彈性方法實現(xiàn)主船體與水介質(zhì)的流固耦合求解，通過邊界連接條件完成主船體與子結(jié)構(gòu)的綜合集成。進(jìn)而針對潛艇類水下船舶主體結(jié)構(gòu)的特征，采用兩端簡支單層加肋圓柱殼解析計算模型來描述主船體結(jié)構(gòu)，應(yīng)用解析方法求解流固耦合作用，建立了解析/數(shù)值混合的聲彈性子結(jié)構(gòu)方法。該方法可有效提高計算效率和擴(kuò)展計算頻段范圍。 其二，敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層的船舶三維聲彈性分析方法。針對船舶表面敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層降低聲目標(biāo)強度和水下輻射噪聲這一工程問題，進(jìn)一步建立了敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層的船舶三維聲彈性力學(xué)理論和計算方法。通過引入描述聲學(xué)覆蓋層內(nèi)外表面間聲振傳遞的四端參數(shù)法，實現(xiàn)“船體結(jié)構(gòu) 聲學(xué)覆蓋層 水介質(zhì)”的聲振耦合求解。 其三，雙流域耦合的三維聲彈性分析方法。針對雙層殼水下船舶存在舷間水耦合的特點，進(jìn)一步發(fā)展了雙流域耦合的船舶三維聲彈性計算方法，擴(kuò)展了工程應(yīng)用的范圍。 第四部分，針對簡單源匯分布法（簡稱簡單源方法）中不規(guī)則頻率問題，提出了虛擬阻抗封閉曲面法（CVIS方法）。以往在聲彈性領(lǐng)域的邊界元計算中較多地采用Helmholtz積分方法，先后曾發(fā)展了多種應(yīng)用Helmholtz積分方法時處理不規(guī)則頻率處解的非唯一性問題的方法。采用簡單源匯分布法求解聲場時同樣存在不規(guī)則頻率問題。本文根據(jù)簡單源匯分布法中不規(guī)則頻率產(chǎn)生的機(jī)理，提出了在浮體內(nèi)部的虛擬流場中引入一個虛擬的阻抗封閉曲面，用于吸收聲振能量，抑制內(nèi)部虛擬流場的共振，有效地消除了聲學(xué)問題求解時易出現(xiàn)的不規(guī)則頻率。 匯聚上述內(nèi)容，形成了一套較完整的可用于分析復(fù)雜船舶結(jié)構(gòu)低中頻段振動與聲輻射的聲彈性理論框架、數(shù)值方法和應(yīng)用工具。在此基礎(chǔ)上，編制了數(shù)值計算程序，作為一個單獨的模塊（聲學(xué)計算模塊）并入到大型水彈性計算軟件THAFTS中。 第五部分，本文采用算例與解析解的比對和試驗驗證的手段，對理論、計算方法和計算程序模塊的正確性、實用性進(jìn)行了考核驗證。其中的試驗驗證包括開闊有限水深環(huán)境中小尺度艙段結(jié)構(gòu)的聲輻射試驗驗證和水池內(nèi)實尺度船體艙段結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)及水中聲輻射的試驗驗證。比對和驗證的結(jié)果表明，本文所述的理論方法和計算程序能有效應(yīng)用于復(fù)雜船舶結(jié)構(gòu)的聲彈性響應(yīng)分析預(yù)報。 第六部分，圍繞在船舶輻射噪聲工程領(lǐng)域人們密切關(guān)注的問題，利用本文建立的理論、計算方法和軟件開展了選取不同采樣時段聲壓信號對船舶聲源級評定的影響、不同距離處的聲壓值對船舶聲源級評定的影響、不同水深和潛深環(huán)境對船舶輻射噪聲的影響以及不同方位的聲壓特征對船舶聲源級評定的影響四方面的應(yīng)用研究。據(jù)于該研究的數(shù)例，建議了可操作性較強、能穩(wěn)定地反映船舶輻射噪聲頻譜特征及噪聲級評定結(jié)果的采樣和聲壓信號處理方法；給出了不同水深和潛深環(huán)境中船舶近遠(yuǎn)場輻射聲的分布特征、可供參考的初步規(guī)律；提出了利用本文的方法和程序計算一艘船在不同水深和潛深環(huán)境中的輻射噪聲頻譜，進(jìn)而歸納出該船在給定頻段內(nèi)的總聲級在不同水深與潛深中換算關(guān)系的修正圖譜的建議，并給出了兩幅可用于把示例船在淺水或小潛深狀態(tài)下的噪聲級采樣評定結(jié)果修正到其它水深潛深的圖譜的例子。最后，給出了應(yīng)用本文開發(fā)的計算軟件預(yù)報多種機(jī)械設(shè)備激勵引起的實船結(jié)構(gòu)振動和水下輻射噪聲的簡要示例，與測試結(jié)果作了比對，說明了方法與軟件的可用性。目前，該計算方法與軟件已在多個工程項目中應(yīng)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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本文編號：1363936