本文關(guān)鍵詞：浸水結(jié)構(gòu)聲輻射與聲透射特性計算

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【摘要】：水下結(jié)構(gòu)聲輻射問題一直都是船舶設(shè)計人員關(guān)注的一個焦點。目前用于水下結(jié)構(gòu)聲輻射噪聲預(yù)報的方法主要有解析法、數(shù)值法和實驗法等。解析法適用于簡單的結(jié)構(gòu)形式,實驗的方法成本較大,而數(shù)值法因其靈活性和高效性得到了最廣泛的應(yīng)用。水下結(jié)構(gòu)聲輻射是一個典型的流固耦合問題,需要分別對結(jié)構(gòu)和流體進行建模,目前結(jié)構(gòu)主要使用有限元法(FEM),流體主要使用有限元法(FEM)和邊界元法(BEM)等。FEM/FEM比較適合用來求解有限流體域內(nèi)的聲振特性,FEM/BEM對于計算無限大或半無限大流體域很有優(yōu)勢。本文基于FEM/BEM對無界流場中浸水結(jié)構(gòu)的聲輻射特性進行了研究,主要內(nèi)容如下：首先以板殼結(jié)構(gòu)為研究對象,推導(dǎo)了基于Mindlin板模型的有限元方程,編寫了四邊形四結(jié)點等參單元的動力有限元程序,采用子空間迭代法來計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,通過懸臂板和自由板的模態(tài)計算驗證了程序的正確性。然后推導(dǎo)了三維聲波波動方程,從穩(wěn)態(tài)聲場的Helmholtz微分方程出發(fā),利用權(quán)函數(shù)法推導(dǎo)了邊界積分方程。采用四邊形四結(jié)點等參單元對邊界進行離散,采用坐標變換法消除積分奇異性,采用CHIEF法解決特征頻率處非唯一性問題,最終推得了聲學(xué)邊界元法的系統(tǒng)方程。根據(jù)理論編寫了直接邊界元法計算聲輻射的程序,計算脈動球源的聲輻射特性,結(jié)果與解析解相吻合。其次根據(jù)在流固耦合交界面上的連續(xù)條件,基于結(jié)構(gòu)有限元方程和流體邊界元方程建立了流固耦合方程。求解結(jié)構(gòu)在流體中的振動特性時可將聲壓變量消去,流體對結(jié)構(gòu)的作用簡化為附加質(zhì)量形式；求解結(jié)構(gòu)聲輻射特性時將位移變量消去,以聲壓為未知變量,通過求解耦合方程,便能得到流體域內(nèi)任一點的聲壓。根據(jù)以上理論本文編寫了結(jié)構(gòu)有限元法耦合流體邊界元法的浸水結(jié)構(gòu)聲輻射程序,以無界流場中內(nèi)部受簡諧聲壓作用的球殼為例進行計算,與解析解取得了很好的一致。最后本文還研究了封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部有聲源作用時殼體的聲透射特性。對球殼內(nèi)外域分別應(yīng)用Helmholtz積分方程,然后根據(jù)在球殼表面法向速度連續(xù)條件建立以聲壓為未知變量的耦合方程,解得結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的聲壓即得到結(jié)構(gòu)的聲透射特性。根據(jù)理論編寫了計算聲透射的程序,計算了無界流場中內(nèi)部有點聲源激勵的球殼的聲透射特性,通過與解析解對比驗證了程序的正確性。
【關(guān)鍵詞】：流固耦合 FEM/BEM 聲輻射 聲透射
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U661.44
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 緒論8-15
• 1.1 選題背景及研究意義8-9
• 1.2 浸水結(jié)構(gòu)聲輻射國內(nèi)外研究進展9-14
• 1.3 本文主要內(nèi)容14-15
• 2 彈性薄板有限元分析理論及程序?qū)崿F(xiàn)15-35
• 2.1 彈性力學(xué)的基本方程15-16
• 2.2 彈性力學(xué)有限元法簡介16-17
• 2.3 Mindlin板模型動力有限元方程推導(dǎo)17-26
• 2.3.1 Mindin板彎曲理論基本假設(shè)17-18
• 2.3.2 Mindlin板加膜單元位移模式18-24
• 2.3.3 單元質(zhì)量陣與剛度陣的推導(dǎo)24-26
• 2.3.4 高斯求積法26
• 2.4 固有頻率與固有振型求解26-28
• 2.4.1 子空間迭代法27
• 2.4.2 移軸法27-28
• 2.5 強迫振動響應(yīng)計算28-29
• 2.6 數(shù)值算例29-34
• 2.7 本章小結(jié)34-35
• 3 聲輻射數(shù)值計算方法及程序?qū)崿F(xiàn)35-59
• 3.1 聲學(xué)Helmholtz方程的建立35-37
• 3.2 聲學(xué)有限元法37-42
• 3.2.1 聲場離散37-38
• 3.2.2 聲學(xué)有限元法系統(tǒng)矩陣推導(dǎo)38-42
• 3.3 聲學(xué)直接邊界元法42-53
• 3.3.1 Helmholtz積分方程42-47
• 3.3.2 邊界離散47-48
• 3.3.3 系統(tǒng)矩陣推導(dǎo)48-51
• 3.3.4 奇異性處理51-53
• 3.3.5 特征頻率問題處理53
• 3.4 程序編寫53-54
• 3.5 數(shù)值算例54-58
• 3.6 本章小結(jié)58-59
• 4 浸水結(jié)構(gòu)聲振特性計算59-73
• 4.1 流固耦合方程推導(dǎo)59-60
• 4.2 結(jié)構(gòu)振動特性求解60-61
• 4.2.1 附加質(zhì)量計算60
• 4.2.2 數(shù)值算例60-61
• 4.3 結(jié)構(gòu)聲輻射特性求解61-65
• 4.3.1 聲壓為未知量的耦合方程61-62
• 4.3.2 數(shù)值算例62-65
• 4.4 結(jié)構(gòu)聲透射特性求解65-72
• 4.4.1 耦合方程推導(dǎo)65-68
• 4.4.2 數(shù)值算例68-72
• 4.5 本章小結(jié)72-73
• 5 總結(jié)與展望73-75
• 5.1 全文總結(jié)73-74
• 5.2 論文展望74-75
• 參考文獻75-78
• 附錄78-79
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況79-80
• 致謝80-81

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