潛艇艇體結(jié)構(gòu)的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)是進(jìn)一步提高潛艇的聲隱身性能,更好地發(fā)揮潛艇戰(zhàn)略作用的有效手段。以往針對(duì)艇體內(nèi)部對(duì)稱結(jié)構(gòu)如環(huán)筋、隔艙壁等對(duì)艇體的振動(dòng)聲輻射影響已經(jīng)開展了一定的研究。而對(duì)整艇聲振耦合特性影響顯著的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)如推力軸承基座等的研究、特別是對(duì)相關(guān)影響機(jī)理的研究不足。本文圍繞艇體非對(duì)稱、非均勻結(jié)構(gòu)對(duì)螺旋槳激勵(lì)下槳-軸系-艇體水下聲振耦合特性的影響,綜合應(yīng)用了解析、半解析、數(shù)值以及試驗(yàn)方法,建立了從耦合單梁、曲梁一維振動(dòng)模型到梁-非對(duì)稱組合殼體振動(dòng)及聲輻射模型,再到復(fù)雜殼體-梁等耦合水下振動(dòng)聲輻射計(jì)算模型,系統(tǒng)地開展了相關(guān)影響規(guī)律及其數(shù)學(xué)物理機(jī)理的理論與試驗(yàn)研究。首先,將艇體的振動(dòng)沿軸向和周向分解,從一維結(jié)構(gòu)入手研究:針對(duì)艇體及軸系-艇體耦合系統(tǒng)振動(dòng)沿軸向的分解,基于變分原理,推導(dǎo)建立了截面質(zhì)量突變的耦合直梁模型、帶有集中偏心單元的直梁模型以及軸系-非對(duì)稱艇體雙梁模型,利用波數(shù)展開方法對(duì)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)引起的波型耦合、集中單元引起的剪切波能量集中機(jī)制進(jìn)行了研究;針對(duì)艇體的周向振動(dòng),基于廣義殼體理論和哈密爾頓原理,建立了考慮縱向、剪切、彎曲三向變形耦合且?guī)в屑蟹菍?duì)稱單元的環(huán)形曲梁模型,解析地研究了非對(duì)稱結(jié)構(gòu)引起的結(jié)構(gòu)周向波數(shù)的耦合特性,從數(shù)學(xué)及物理機(jī)制上揭示了非對(duì)稱結(jié)構(gòu)引入的波數(shù)耦合特性及其對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。接著,基于廣義變分原理建立了軸系-非對(duì)稱艇體耦合振動(dòng)半解析模型,綜合從一維結(jié)構(gòu)研究中獲得的物理機(jī)制,對(duì)艇上非對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)艇體及軸系艇體耦合振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律進(jìn)行深入研究,并通過不同波數(shù)能量輸入及周向和軸向能量集中引起的各周向波數(shù)間的耦合分析,揭示了產(chǎn)生相關(guān)影響的原因;利用結(jié)構(gòu)半解析模型與聲場邊界元的耦合,建立起艇體水下聲振耦合分析模型,對(duì)艇體不同周向模態(tài)及軸向模態(tài)的輻射特性進(jìn)行研究,建立了艇體表面均方振速各波數(shù)能量分量與艇體遠(yuǎn)場輻射聲功率的關(guān)系。然后,基于揭示的艇體周向波數(shù)及軸向模態(tài)耦合貢獻(xiàn)機(jī)理,開發(fā)了基于數(shù)值計(jì)算或試驗(yàn)測試的波數(shù)-頻率域分析方法。開發(fā)的方法適用于從波數(shù)耦合貢獻(xiàn)機(jī)制上分析復(fù)雜非對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)槳-軸系-艇體水下聲振耦合響應(yīng)影響規(guī)律。利用該方法,針對(duì)大尺度潛艇縮比模型分析了艇上關(guān)鍵非對(duì)稱結(jié)構(gòu)如推力軸承基座等的影響并揭示了相關(guān)影響的產(chǎn)生原理。最后,針對(duì)建立的潛艇縮比模型、并結(jié)合非對(duì)稱結(jié)構(gòu)研究對(duì)比需要,引入對(duì)稱基座和非對(duì)稱艇體模型,進(jìn)行了水下振動(dòng)和聲輻射特性的試驗(yàn)研究。通過不同模型間水下輻射聲壓的比較,基于測試數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)獲得的艇體表面振速波數(shù)-頻率域譜的相互對(duì)比印證,并將測試所得結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別與波數(shù)貢獻(xiàn)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了理論分析中所給出的非對(duì)稱影響規(guī)律和揭示的相關(guān)機(jī)理,也證明了本文基于數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)的波數(shù)-頻率域分析方法的正確性和有效性。本文針對(duì)艇上非對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)整艇螺旋槳激勵(lì)下中低頻水中振動(dòng)與聲輻射特性的影響規(guī)律,系統(tǒng)性地開展了一系列的理論與試驗(yàn)研究,明確了非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律并揭示了相關(guān)機(jī)理,具有較強(qiáng)的科學(xué)意義和工程指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U661.44
【部分圖文】：

(b)圖 1.1 非對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)圓柱殼空氣中影響試驗(yàn)[96]Fig. 1.1 Experimental models for the vibration test of a cylinder in a密度較大，艇體與聲場相互影響強(qiáng)烈，對(duì)殼體，特別是組合計(jì)算建模與分析變得更為復(fù)雜。對(duì)于像潛艇這樣近似形，由于邊界積分對(duì)處理無限大問題有著極大的優(yōu)越性，

圖 1.2 軸-艇模型[114]Fig. 1.2 Shafting-hull model的復(fù)雜性，加之水下聲場和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈耦合，對(duì)于系統(tǒng)的困難，也正因?yàn)榇耍瑪?shù)值方法如耦合有限元/邊界元方法成射計(jì)算預(yù)報(bào)最常用的途徑。由于數(shù)值計(jì)算時(shí)間成本較高，

圖 1.3 魚雷狀艇體模型（a）空氣與（b）水中振動(dòng)聲輻射測試[121-123]Fig. 1.3 The test of torpedo-shaped structure in the (a) air and (b) water了在研究機(jī)理的同時(shí)，增強(qiáng)工程的實(shí)際指導(dǎo)意義，在高成本的試驗(yàn)中獲導(dǎo)。許多學(xué)者采用實(shí)際模型的縮比模型進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，對(duì)相關(guān)的相行了研究。俞孟薩等[127]進(jìn)一步研究驗(yàn)證圓柱殼體水下振動(dòng)、聲輻射的
【參考文獻(xiàn)】

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1 胡世猛;王斌;湯渭霖;范軍;;艙壁對(duì)圓柱殼振動(dòng)聲輻射影響研究[J];船舶力學(xué);2013年07期

2 瞿葉高;諶勇;龍新華;華宏星;孟光;;基于區(qū)域分解的環(huán)肋圓柱殼-圓錐殼組合結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析[J];計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào);2013年01期

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本文編號(hào)：2840199