本文關(guān)鍵詞：槳—軸—艇耦合結(jié)構(gòu)的振動和聲輻射特性理論與試驗研究

  更多相關(guān)文章： 槳-軸-艇耦合結(jié)構(gòu) 質(zhì)量和剛度非均勻性 耦合振動 聲輻射 流固耦合

【摘要】：隨著各國軍事實力的不斷進步和發(fā)展,潛艇隱蔽性能越來越得到各國的重視,通過對槳-軸-艇耦合結(jié)構(gòu)的振動和聲輻射特性研究尋求減振降噪的有效途徑,已逐漸成為潛艇振動噪聲控制的重要研究方向之一。以往針對簡單均勻結(jié)構(gòu)振動聲輻射特性研究的方法在滿足當(dāng)前實際工程需求方面存在不足,所以需要探索一種更加準(zhǔn)確、高效的槳-軸-艇復(fù)雜非均勻結(jié)構(gòu)的建模計算方法,并對其進行機理性分析。本文從理論計算和試驗測量兩個層面對槳軸艇耦合結(jié)構(gòu)的振動和聲輻射特性問題進行了研究,探討了艇體的質(zhì)量和剛度非均勻性對其振動和聲輻射特性的影響,主要研究內(nèi)容包括:理論計算方面,本文首先基于半解析區(qū)域分解法高精度、高效率的優(yōu)勢,研究了非均勻結(jié)構(gòu)的自由振動和強迫振動問題。其中,非均勻結(jié)構(gòu)包括加肋殼體和槳-軸-艇耦合結(jié)構(gòu)兩大類。加肋殼體包括環(huán)筋、縱筋、正交加筋和“雙周期”加筋結(jié)構(gòu)。在分析中,通過考慮各個周向波數(shù)之間、周向波數(shù)與軸向波數(shù)、對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)的耦合項,解決了非均勻加筋殼體的振動問題,并從周向波數(shù)對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)貢獻的角度研究了結(jié)構(gòu)的耦合模態(tài)特性。并在此基礎(chǔ)上,建立了槳-軸-艇復(fù)雜耦合結(jié)構(gòu)的半解析模型。在以往的研究中,由于螺旋槳建模的復(fù)雜性,其對槳軸艇耦合結(jié)構(gòu)振動特性的影響往往被忽視。在本文的模型中,通過考慮模擬螺旋槳三個方向質(zhì)量的剛性槳以及第一、二階模態(tài)頻率的彈性槳,成功解決了該問題。軸系子系統(tǒng)考慮了縱向、橫向以及垂向彎曲振動,解決了以往在進行軸艇耦合振動特性分析時,由于建模困難而忽視軸系三向振動的弊端。艇體采用帶有隔艙壁的加筋組合殼體進行模擬。軸系與艇體通過彈簧系統(tǒng)連接,并通過考慮其縱向和徑向的振動,模擬了艉軸承和推力軸承等結(jié)構(gòu)。該模型解決了以往(半)解析法難以系統(tǒng)地分析槳軸艇耦合結(jié)構(gòu)振動特性的問題,為后續(xù)參數(shù)化和機理性分析奠定了基礎(chǔ)。其次,為了實現(xiàn)對更接近實艇的復(fù)雜模型進行求解,本文采用有限元/邊界元耦合分析法對帶有復(fù)雜軸系子系統(tǒng)的槳-軸-艇耦合結(jié)構(gòu)進行了仿真分析。研究了螺旋槳激勵力經(jīng)軸系激勵艇體所引起的艇體振動聲輻射特性以及螺旋槳激勵力下,槳-軸-艇耦合結(jié)構(gòu)在空氣中和水中的振動和聲輻射特性,并重點考慮了艇體的質(zhì)量和剛度非均勻性對該特性的影響。分析結(jié)果表明:螺旋槳縱向激勵力不僅可以激起軸殼耦合結(jié)構(gòu)的縱向振動模態(tài),還可以激發(fā)結(jié)構(gòu)的彎曲振動模態(tài)。對于非均勻艇體,無論是在螺旋槳縱向激勵力下或者垂向激勵力作用下,在局部頻段上均會出現(xiàn)由于附加質(zhì)量所引起的局部鼓出模態(tài)與艇體彎曲振動耦合的模態(tài)所引起的共振峰,只是縱肋和附加質(zhì)量與艇體模態(tài)在對應(yīng)不同的共振峰時的耦合程度有所不同,并分析了質(zhì)量和剛度非均勻性對附連水質(zhì)量系數(shù)的影響。另外,還可以發(fā)現(xiàn)艇體在某些模態(tài)出現(xiàn)縱向伸縮的同時會伴有周向局部鼓出的現(xiàn)象,從而引起結(jié)構(gòu)的縱向模態(tài)與周向模態(tài)的耦合,產(chǎn)生輻射聲。本文在進行流固耦合分析時,先基于有限元ANSYSTM軟件獲取結(jié)構(gòu)的干模態(tài),然后在此基礎(chǔ)上,通過邊界元Virtual Lab AcousticsTM軟件計算結(jié)構(gòu)的濕模態(tài),并研究其聲輻射特性,避免了傳統(tǒng)方法需在有限元軟件中建立流體域的過程,從而大大地提高了數(shù)值仿真計算效率。試驗研究方面,為了驗證所建理論模型的正確性以及揭示復(fù)雜耦合結(jié)構(gòu)在水中的振動聲輻射特性規(guī)律,本文設(shè)計并搭建了螺旋槳-軸系-殼體耦合結(jié)構(gòu)的試驗,并分別研究了艇體在空氣中和水中的振動特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn):試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果誤差很小,說明仿真模型的可靠性和本文所采用的模態(tài)疊加法聲學(xué)計算方法所得結(jié)果的正確性。此外,還在水中對該耦合結(jié)構(gòu)進行了聲學(xué)測試,通過將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比分析,進一步驗證了理論模型在計算結(jié)構(gòu)水中聲輻射問題方面的正確性,并證實了通過仿真分析所得出的槳軸艇的耦合振動聲輻射特性規(guī)律,同時探討了艇體的質(zhì)量和剛度非均勻性對其振動聲輻射特性的影響。
【關(guān)鍵詞】：槳-軸-艇耦合結(jié)構(gòu) 質(zhì)量和剛度非均勻性 耦合振動 聲輻射 流固耦合
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U661.44
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-28
• 1.1 工程背景及課題意義9-10
• 1.2 國內(nèi)外研究狀況10-23
• 1.2.1 單個殼體11-13
• 1.2.2 加筋殼體的結(jié)構(gòu)振動13-16
• 1.2.3 組合殼體的結(jié)構(gòu)振動16-18
• 1.2.4 軸系-艇體耦合結(jié)構(gòu)振動與聲輻射研究概述18-22
• 1.2.5 潛艇振動噪聲有待解決的問題22-23
• 1.3 本文研究思路和研究內(nèi)容23-28
• 1.3.1 研究思路23-24
• 1.3.2 研究內(nèi)容和框架24-28
• 第二章 加肋殼體振動特性研究28-86
• 2.1 引言28-35
• 2.1.1 殼體理論與振動分析方法30-35
• 2.2 加肋圓錐殼模型35-42
• 2.2.1 圓錐殼的能量36-39
• 2.2.2 圓錐殼上環(huán)肋的能量39-41
• 2.2.3 環(huán)肋圓錐殼的能量41-42
• 2.3 計算結(jié)果討論42-48
• 2.3.1 驗證方法的正確性和精度42-44
• 2.3.2 肋骨參數(shù)對于加肋殼固有頻率的影響44-47
• 2.3.3 彈性邊界對于加肋殼固有頻率的影響47-48
• 2.4 加肋圓柱殼模型48-55
• 2.4.1 圓柱殼的能量50-51
• 2.4.2 環(huán)肋和縱肋的能量51-54
• 2.4.3 正交加肋圓柱殼的能量54-55
• 2.5 計算結(jié)果討論55-83
• 2.5.1 圓柱殼加縱肋55-67
• 2.5.2 圓柱殼加“雙周期”環(huán)肋67-77
• 2.5.3 圓柱殼加縱肋和環(huán)肋77-83
• 2.6 本章小結(jié)83-86
• 第三章 軸系-組合殼體耦合結(jié)構(gòu)的振動特性研究86-147
• 3.1 引言86-88
• 3.2 螺旋槳-軸系-組合殼體耦合結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型88-99
• 3.2.1 槳-軸系統(tǒng)的計算公式90-92
• 3.2.2 組合殼體結(jié)構(gòu)的計算公式92-99
• 3.3 組合殼體振動分析99-118
• 3.3.1 圓柱殼-球殼組合殼體的振動99-103
• 3.3.2 球殼-圓柱殼-球殼組合殼體的振動103-106
• 3.3.3 圓錐殼-圓柱殼-球殼組合殼體的振動106-118
• 3.4 槳-軸-組合殼體振動分析118-134
• 3.4.1 軸系-組合殼體118-125
• 3.4.2 彈性槳-軸系-組合殼體125-129
• 3.4.3 剛性槳和彈性槳比較129-134
• 3.5 槳-軸-艇耦合結(jié)構(gòu)振動控制措施134-139
• 3.5.1 對稱基座模型的建立134-138
• 3.5.2 軸系偏心模型的建立138-139
• 3.6 槳-軸-艇復(fù)雜耦合結(jié)構(gòu)模型139-145
• 3.7 本章小結(jié)145-147
• 第四章 槳-軸-艇耦合結(jié)構(gòu)的聲輻射特性研究147-186
• 4.1 引言147-149
• 4.2 振動和聲耦合數(shù)值計算149-153
• 4.2.1 有限元法基本理論和公式150-151
• 4.2.2 邊界元法基本理論和公式151-153
• 4.3 槳-軸-艇體結(jié)構(gòu)計算模型153-155
• 4.4 槳-軸-艇體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析155-160
• 4.5 軸系引起的艇體振動和輻射聲特性分析160-185
• 4.5.1 螺旋槳激勵力傳遞路徑161-167
• 4.5.2 槳-軸-艇體模型的聲輻射特性分析167-185
• 4.6 本章小結(jié)185-186
• 第五章 槳-軸-艇耦合結(jié)構(gòu)的振動聲輻射試驗研究186-217
• 5.1 引言186-187
• 5.2 槳軸艇耦合系統(tǒng)空氣中振動試驗187-192
• 5.2.1 試驗對象187-188
• 5.2.2 試驗設(shè)備及參數(shù)設(shè)置188-189
• 5.2.3 試驗內(nèi)容及測試結(jié)果189-192
• 5.3 槳軸艇耦合系統(tǒng)水下振動和噪聲試驗192-215
• 5.3.1 試驗對象192-196
• 5.3.2 試驗設(shè)備及參數(shù)設(shè)置196-199
• 5.3.3 試驗內(nèi)容及測試結(jié)果199-215
• 5.4 本章小結(jié)215-217
• 第六章 總結(jié)及展望217-222
• 6.1 全文工作總結(jié)217-219
• 6.2 創(chuàng)新點219-220
• 6.3 研究展望220-222
• 參考文獻222-234
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及獎勵234-236
• 致謝236-239

，

本文編號：704532