敷设分层梯度声学覆盖层的加肋圆柱壳声辐射特性研究

单壳体潜艇敷设声学覆盖层应具有机械噪声、水动力噪声和声目标强度控制的多功能特性,为此需要解决两个基本问题:其一,提高机械噪声低频控制效果;其二,实现覆盖层的多功能兼容性。本文从降低机械激励壳体声辐射角度出发,采用模态叠加法,建立无限大理想水介质中分层梯度声学覆盖层与有限长加肋圆柱壳的声振耦合及声辐射模型,基于声学覆盖层模态传递函数特性,计算分析声学覆盖层分层梯度分布及厚度、层数等参数对加肋圆柱壳辐射噪声影响的特征和规律,给出分层梯度声学覆盖层的特征声阻抗渐变参数分布并与敷设均匀声学覆盖层降噪特性比较。研究结果表明:加肋圆柱壳敷设内层至外层声阻抗逐渐递增,各分层取慢波速的声学覆盖层,具有比均匀声学覆盖层更有效地降低外表面振动位移的特性,可明显增加降噪效果,并扩展低频降噪范围。声学覆盖层的优化应增加声阻抗的内分层失配和外分层适配的效应,有利于降低加肋圆柱壳低频声辐射,并可兼顾降低声目标强度。

基于谱元法的加肋圆柱壳声振有源控制研究

加肋圆柱壳是水下航行器的主要声发生器,控制加肋圆柱壳结构振动和水下辐射噪声中的低频线谱成份,对提高水下航行器声隐身性能具有重要意义。针对复杂加肋圆柱壳结构振动响应计算、线谱有源控制次级力源作用位置和大小优化计算难题,提出了基于精细区域分解谱元法的加肋圆柱壳结构振动响应计算半解析方法,采用壳体外法线方向位移响应均方值最小的控制策略,建立了复杂加肋圆柱壳线谱有源控制理论方法。利用该方法计算分析了激励力与次级力源之间的相对位置对加肋圆柱壳结构振动和水下辐射噪声的影响,掌握了次级力源安装位置对线谱成份控制效果的影响规律。试验结果表明,该方法可有效控制加肋圆柱壳结构振动中的低频线谱成份,为水下航行器声隐身性能设计提供了新方法。

水下双层加肋圆柱壳全空间收发分置散射声场快速预报方法

针对水下双层加肋圆柱壳的全空间收发分置散射声场求解,提出了一种快速预报方法。该方法将散射声场表示为声散射传递函数与声源密度函数的乘积,以目标表面网格信息、少量的仿真或测试多基地散射声压数据作为已知信息,借助数值积分、矩阵理论、最小二乘法对其他收发分置散射声场进行预报。分别以有限元仿真和试验测试的散射声压数据作为输入,对水下双层加肋圆柱壳的多基地散射声场进行了计算,并与完全采用有限元方法的计算结果进行了对比。结果表明:该方法在目标表面结构和部分散射声场数据已知条件下能对目标的全空间收发分置散射声场进行预报;已知散射声压数据量越多,计算频率越低,预报精度越高。

基于谱元法的加肋圆柱壳设备位置声学设计

加肋圆柱壳是水下航行器的重要结构形式,内部安装有大量机械设备,设备运行产生的低频振动通过基座等结构传递至壳体,引起壳体振动并产生低频辐射噪声,严重影响水下航行器的隐蔽性。通过开展机械设备安装位置声学优化设计研究,建立基于谱元法的加肋圆柱壳振动响应理论计算方法,得到不同安装位置设备振动引起的加肋圆柱壳振动响应,并以加肋圆柱壳整体法向振动响应最小为目标函数,提出加肋圆柱壳内设备位置声学设计方法。数值计算及实验结果验证了该声学优化方法的有效性,对水下航行器机械噪声控制具有重要意义。

流场中周期加肋圆柱壳受激振动的能量流输入特性

以一水下无限长周期加肋圆柱壳受迫振动的能量流输入为研究对象,分别用Flügge方程和Helmholtz方程建立壳体及声场的波运动方程,考虑肋骨的四种作用力和力矩,探讨了外流场对加肋圆柱壳受激振动输入能量流的影响,得出了外流场可以抑制系统能量流输入、水下加肋圆柱壳比充液加肋圆柱壳能量流输入弱的结论。

双层加肋圆柱壳振动和声辐射研究

本文应用傅立叶变换技术 ,对双层加肋圆柱壳进行了振动和声辐射研究 ,并获得了辐射声压的解析解。

采用有限元和边界元方法分析弹性加肋圆柱壳的声学相似性

本文采用有限元和边界元方法，分析水下运动体的典型结构──有限长弹性加肋圆柱壳的振动、耦合振动和声辐射的相似性，给出这种结构的声学相似条件和相似关系。

水中有限长加肋圆柱壳体振动和声辐射近似解析解

加肋圆柱壳体是水下航行器的主要结构形式。将肋骨对壳体的作用简化为只有法向力，本文导出了水中有限长加肋圆柱壳体的振动和声辐射的近似解析解。其中肋骨的作用表现为在无肋的耦合振动方程中增加附加阻抗，因此壳体的振动和声辐射由壳体的机械阻抗、流体的辐射声阻抗和肋骨的附加阻抗所决定。数值计算例子表明，在低频情况下，加肋对辐射声功率影响不大，但将降低表面平均振速，从而增加声辐射效率。

加肋圆柱壳声学相似性试验

本文通过相似的有限长加肋圆柱壳模型在空气中受激振动和水中辐射声功率的相似性试验 ,验证了文献 [1 ,2 ]采用有限元和边界元方法提出的弹性结构振动和水下声辐射的理论相似关系。从加速度传感器测量的振动加速度响应中得到的模型前 1 0阶模态频率表示为无量纲频率 ωl/ E/ρ,它们与理论结果比较 ,不同模型同阶无量纲频率的最大相对偏差小于 5。测量的振动加速度以 al3ρ/ F进行归一化处理 ,结果基本符合理论相似关系 ,对加速度进行多点平均或宽频带处理后 ,试验结果与理论结果更加符合 ,三个模型在测量频段内的归一化加速度级相差 2 d B左右。参照空气声学中的方法 ,在水池的半混响环境中测量模型的水下辐射声功率 ,为此围绕模型选择一个测量面 ,由测量面上的声压和水池的混响时间估算辐射声功率 ,并以wl2 / F2进行归一化处理 ,结果表明在高频段模型的归一化辐射声功率级相差 1～ 2 d B。模型设计和试验时 ,缩比因子λ、谱级倍频程数 K和频率移动的频带数 N应满足关系 2 N

水中有限长纵向加肋圆柱壳体振动与声辐射

根据模态分析法,推导了水中有限长纵向加肋圆柱壳体的耦合振动方程.其中纵向肋骨的作用表现为在基本圆柱壳体流固耦合振动方程中增加相应的附加阻抗,因此壳体的振动和声辐射由壳体机械阻抗、辐射阻抗和纵向肋骨附加阻抗所决定.在此基础上通过算例对水中纵向加肋圆柱壳体振动与声辐射进行了研究.研究表明,纵向加肋对水中圆柱壳体的辐射声功率影响不大,但壳体表面平均振动速度明显降低,相应的辐射效率增加.

外壳板采用纵骨加强的双层加肋圆柱壳水下声辐射分析

建立了外壳板加纵骨的双层加肋圆柱壳水下声辐射计算方法 ,计算模型采用 Donnell壳体理论 ,考虑了环肋、舱壁和实肋板对内外圆柱壳的径向、切向、纵向反作用力以及纵向反弯矩 ,利用傅氏变换和模态展开在波数域建立了计算模型的声弹耦合控制方程。推导了所有结构部件以及水介质的速度阻抗表达式 ,采用数值计算方法在波数域求解出径向振动速度 ,利用稳相法得到远场辐射声压。研究表明 ,如果纵骨沿圆周均匀排列 ,则纵骨的存在不导致圆柱壳周向模态耦合 ,纵骨加强的双层圆柱壳水下声辐射计算可以大大简化。采用文中方法研究了环频率以下外壳板加纵骨的双层加肋圆柱壳水下声辐射特性 ,计算表明 :在较低的频率段 ,外壳板采用纵骨加强使双层加肋圆柱壳水下辐射声压增大 ;增大纵骨刚度 ,结构辐射声压也相应增大 ;纵骨间距对双层加肋圆柱壳水下声辐射影响比较复杂 ,辐射声压谱随纵骨间距变化较大 。

水中双向正交加肋圆柱壳体声辐射的有限元法

水下加肋壳体的结构声问题在水下航行器隐身技术中有更广阔应用。以受谐激励作用的水中双向正交加肋弹性薄圆柱壳为研究对象 ,考虑介质与结构振动的耦合效应 ,研究耦合系统的声振问题。解析法求解此类问题存在困难 ,运用有限元方法计算了双向正交加肋圆柱壳体的声辐射远场声压。算例结果表明 :在设置环肋的基础上再加设纵肋 ,能有效地改善结构的声辐射特性。

水下爆炸载荷作用下受损加肋圆柱壳的剩余屈曲强度计算

研究了在水下爆炸载荷作用下受损的加肋圆柱壳的屈曲.结合DYTRAN软件和NASTRAN软件计算了水下爆炸载荷作用下受损的加肋圆柱壳的剩余屈曲强度,并且提出了一种结合上述两种软件计算加肋圆柱壳的剩余屈曲强度的方法.数值计算表明,预测结果与实验结果吻合较好.

加肋圆柱壳结构噪声的能量流传播

本文运用结构振动的波动方法对加肋圆柱壳中的能量流传播进行了研究 ,考察了肋骨参数的影响。数值结果表明 :环肋截面的宽度对低阶周向模态的低频波影响不大 ,环肋截面的高度对n=1阶周向模态的低频波的影响不大 ,对高阶周向模态的低、高频波的影响都很明显。环肋截面的高度越大周向模态阶数越高 ,入射能量流被反射的量就越大。

水中有限长纵向加肋圆柱壳体振动与声辐射影响因素研究

以水中有限长纵向加肋圆柱壳体为研究对象,推导了水中有限长纵向加肋圆柱壳体的声固耦合振动方程,其中纵向肋骨的作用表现为在基本圆柱壳体声固耦合振动方程中增加相应的附加阻抗,因此壳体的振动和声辐射由壳体机械阻抗、辐射阻抗和纵向肋骨附加阻抗决定。通过数值仿真算例对外力激励下有限长纵向加肋圆柱壳体振动与声辐射影响因素进行了研究。结果表明纵向加肋对水中圆柱壳体的辐射声功率影响不大,但壳体表面平均振动速度明显降低,而材料损耗因子对几乎所有频段内水中圆柱壳体的辐射声功率和表面平均振动速度都有明显抑制作用。

水下环向双周期加肋圆柱壳体的自由振动

以浸没于水中的弹性环向双周期加肋薄圆柱壳为研究对象 ,考虑介质与结构振动的耦合效应 ,研究流固耦合系统的自由振动。基于Kennard薄壳理论、Helmholtz方程以及壳壁外表面的运动协调条件 ,并借助Dirac δ函数引进肋骨对壳体的作用 ,从而建立耦合系统的运动方程。通过富氏积分变换、引进算子 ,并利用算子的周期性 ,得到系统的频率方程。采用沿实波数轴搜索求根的方法 ,重点计算了水下无限长环向双周期加肋柱壳的自由传播波频率系数 。

水下爆炸载荷作用下加肋圆柱壳应变响应研究

采用加肋圆柱壳结构模型模拟潜艇结构,对其在水下爆炸冲击载荷作用下的响应过程进行试验研究。结果表明:采用应变测量的方法对结构进行模态分析是可行的;受附连水质量的影响,加肋圆柱壳结构的低阶湿模态频率较干模态频率显著下降;在爆炸载荷作用下,距离爆炸点越近结构承受的冲击作用越严重,越容易产生塑性破坏;应变的最大响应是冲击波载荷和一次脉动压力载荷共同作用的结果,第二次脉动压力对结构的动态应变响应贡献不明显。

加肋圆柱壳结构的FE-BE算法网格尺度划分原则研究

研究结构有限元耦合流体边界元算法(FE-BE算法)中结构湿表面的网格尺度划分原则具有十分重要的意义。以有限长加肋圆柱壳为研究对象,采用波数谱分析方法分离出结构主振型分量(携带能量最多的振动模式)。根据分析结果提出FE-BE算法中结构湿表面的网格尺度划分原则,并采用FE-BE算法验证了该原则的有效性。

多源激励下水中有限长加肋圆柱壳体声振特性研究

为了研究多源激励下水中有限长加肋圆柱壳体的声振特性,由Flügge壳体振动理论建立了单频多源激励下水中长度为2L的有限长加环肋和纵肋壳体的声振耦合方程。将壳体结构位移、表面声压以及激励力展开为各阶模态与波形的组合形式,将肋骨作用表示为附加阻抗与各阶模态的叠加,导出了单频多源激励下加肋壳体振动和声辐射的解析表达式,并通过算例研究了肋骨、激励源相对位置对壳体声振特性的影响。计算结果表明:肋骨改变了壳体的共振特性,使共振频率处壳体的表面平均振速级降低,导致共振频率附近的辐射效率级增加3-5dB;将集中力转化为轴向分布的激振力可降低壳体的中高频处辐射声功率级,在频率f>500Hz频段,轴向距离为L/4时的幅值比单点激励低3-5dB;将集中力转化为周向分布的激振力可降低壳体的低中频处辐射声功率级,在f<150Hz频段,周向相距为π/2和π/3时的辐值比单点激励低7-9dB。本文研究结果可为水下结构的振动与噪声控制提供理论依据。

基于振动测量的加肋圆柱壳中、高频振动预报

复杂结构动态特性问题按频率大小分成低频、中频、高频,对中、高频段采用统计能量法,推导出测点子系统振动能量到壳体表面所有子系统振动能量的传递函数,进而得到壳体表面的均方振动速度级。数值计算通过壳体表面布置的有限测点振动信号作为输入,采用推导出的能量传递矩阵来预报壳体表面均方速度级。与试验结果对比表明,该预报分析方法是可行的和较准确的。