二维水下声辐射问题的改进径向基点插值法研究

径向基点插值法是一种典型的无网格数值计算方法,在分析声学问题时,相比于传统有限元法能更好地抑制频散误差,且在相同的节点分布下通常可以得到更精确的数值解。本文提出一种改进的节点选取方案用于构造插值形函数,即改进径向基点插值法。该方案采取一个简单而直接的格式,可确保在进行数值积分时同一背景积分单元中的被积函数是连续可微的,从而减小数值积分误差,得到比原始径向基点插值法更精确的数值解。同时,为了处理外声场问题,本文采用DtN映射技术将无限域截断为有界计算域,满足索默菲尔德辐射条件。数值试验表明,相比于传统有限元法和原始径向基点插值法,本文改进方法具有更高的计算精度和计算效率,在研究水下声辐射问题时具有良好的应用前景。

船舶推进轴系振动的不确定性分析

[目的]针对传统的船舶推进轴系确定性振动分析存在安全性与可靠性不足的问题,开展轴系在不确定性激励下的振动响应分析。[方法]采用基于非概率凸模型过程的非随机振动分析方法,以区间上下界的形式描述不确定性激励和振动响应,降低对大量激励样本数据的依赖。与相关文献的计算结果对比,验证所编求解二自由度系统响应边界程序的正确性,并基于在此,探究轴系的不确定振动问题。[结果]当轴系受到螺旋桨[-30 N,30 N]的横向激励力激励时,在轴承处产生了量级约为10-6m的位移响应,表明轴系受到某一区间的激励,则必会产生某一区间的响应。[结论]将基于非概率凸模型过程的非随机振动分析方法应用于船舶推进轴系不确定性振动分析领域,可求得轴系受到不确定性激励时的振动位移响应边界,并可在激励样本较少的情况下为提高轴系系统动态响应预测的稳健性提供有益参考。

单侧触水复杂形状薄板的自由振动特性分析

[目的]旨在研究单侧触水弹性边界下复杂形状薄板的自由振动特性。[方法]选取包络复杂形状薄板域的矩形域并将薄板位移用矩形域内的改进傅里叶级数表示,结合Rayleigh积分建立表面声压和薄板位移的关系,并将积分式转换到局部极坐标中以避免奇异性,针对局部极坐标中该变限积分中的边界曲线难以获得显式表达式的问题,用“以直代曲”的方式处理结构边界曲线以简化Rayleigh积分,基于能量原理建立了分析单侧触水复杂形状薄板自由振动特性的半解析方法。[结果]给出了单侧触水矩形薄板、圆形薄板和一些复杂形状薄板的算例,与有限元及文献结果对比验证了该方法的收敛性和准确性,并讨论了弹性边界对薄板附加虚拟质量增量因子(added virtual mass incremental,AVMI)的影响规律,各阶AVMI因子在边界位移弹簧无量纲化刚度为103附近出现最大值,此时结构受流体影响相对最大。[结论]该方法适应性较强,计算效率较高,揭示了流体中复杂形状薄板的自由振动规律,具有一定的工程指导意义。

面向船舶轴系智能安装的法兰激光扫描点云分割研究

[目的]激光扫描技术用于船舶轴系智能安装,具有非接触式、高速率扫描、高精度成像的优势,其中激光点云数据包含空间物体的大小、位置和方向信息。点云分割能大幅减小数据的计算规模,提高对接法兰相对位姿的测量效率。[方法]采用深度学习理论研究点云分割,制作法兰类零件的点云数据集,利用PointNet模型进行训练,分别从Dropout正则化、学习率衰减和点云数据增强3个方面制定优化策略,并在船舶轴系智能安装台架上进行实验验证。[结果]模型的收敛结果趋于稳定,其中训练集的准确率为0.88,验证集的准确率为0.65,法兰点云分割实验呈现清晰的轮廓边缘。[结论]表明该方法具有良好的收敛性能和泛化性能,提高了轴系智能安装的效率。

考虑液体晃荡的部分充液圆柱壳受迫振动分析

充液圆柱壳结构广泛存在于在工程中,在外部激励作用下,圆柱壳会与流体产生耦合振动,且未充满的液面也会产生晃荡,这种耦合振动响应分析在工程中具有重要意义。提出了一种求解考虑内部液体小幅晃荡的弹性圆柱壳振动响应的半解析法。首先分别在壳体建立结构坐标系、在自由液面建立液体坐标系,各自用来描述结构及内部液体的运动。基于Flügge壳体理论建立了圆柱壳的运动控制方程。将液体视为无黏、不可压缩的理想流体,根据线性水波理论和液体自由表面运动边界条件,得出了内部液体的速度势函数。通过流固耦合界面的连续性条件,结合坐标变换推导得到流固耦合系统的运动控制方程。研究了壳体在径向点力激励下振动响应,并得出了对应的液面晃荡响应。和有限元法对比验证了方法的正确性,然后改变相关参数讨论了考虑内部液体晃荡的弹性圆柱壳振动响应特性。

曲面分段的焊接试验及弯曲变形评估

曲面分段的建造精度直接影响船体结构的水动力性能及运营成本,其焊接变形的预测和控制,是船舶智能建造的研究难点。以6 mm厚Q235船板钢的单曲率加筋焊接结构为研究对象,在专用胎架上通过二氧化碳(CO_(2))气体保护焊,完成曲面分段建造;采用全站仪测量曲面分段上胎、封胎、焊接以及脱胎等状态下的结构形状,通过线切割和抛光腐蚀,获得平角焊接头的宏观金相。基于瞬态的热-弹-塑性有限元方法,分析典型平角焊的热-力学行为以及夹具拘束的影响;通过对比熔池形状,确认计算的可靠性,进而评估出焊接固有变形;建立曲面分段的壳单元网格模型,以焊接固有变形为力学载荷,预测曲面分段的建造精度。研究表明:有限元预测的结果与试验测量数据高度吻合,且焊接纵向收缩是曲面分段产生弯曲变形的主要原因。基于上述先进的焊接变形计算方法,分析拘束距离、满焊等工艺对典型接头焊接变形和曲面分段建造精度的影响,可为后续曲面分段的建造工艺优化提供参考。

KR法铁水脱硫的流动数值模拟分析

基于Fluent软件,采用VOF和DPM模型对KR脱硫搅拌槽内的流场和脱硫剂颗粒运动进行数值模拟,研究搅拌槽内的流场特性和搅拌头的转速对颗粒运动轨迹的影响。结果表明,搅拌初期槽内自由液面中心在下凹的过程中伴有上涌和回落的现象;流场稳定后,流体在壁面处形成上、下对称的两个涡流,而在搅拌头的底部容易形成死区;提高搅拌头的转速有利于提高槽内流场的轴向速度,有利于脱硫剂颗粒在槽内均匀悬浮,从而提高脱硫效果。

计及自由液面影响的水下有限深度圆柱壳自由振动分析

提出了一种求解有限浸没深度下圆柱壳振动特性的解析方法。采用镜像原理和Graf加法定理得到流体速度势的解析表达式,然后再结合能量泛函变分方法推导出计及自由液面影响的壳-液耦合振动方程,通过求解该方程,得到结构各阶固有频率。研究表明,相比于无限域,自由液面的存在会增大同阶次模态固有频率,而且离自由液面越近,固有频率越大,但是随着浸没深度逐渐增加,自由振动特性很快趋近于无限域。与有限元软件Nastran计算结果对比表明该方法准确、可靠、简便,且具有计算量小、易于参数优化的优点,也为近水面结构流固耦合振动特性分析提供了新的思路。

水下圆锥壳临界载荷-频率特性分析

针对基于振动的数值仿真、振动实验预测方法的不足,基于振动的水下圆锥壳临界载荷预报具有结构无损的优势,提出了基于波传播法的水下圆锥壳失稳载荷的理论求解方法。通过建立静水压力下圆锥壳声-固耦合振动方程,并使用波传播法和Galerkin法求解不同静水压下的频率特性。在处理耦合面处流体声载荷时将锥壳分解为多个柱壳微段的流体载荷的叠加。通过对水下圆锥壳的固有频率和静水压力的关系研究,得出静压与固有频率平方近似呈线性关系这一重要结论,并通过线性拟合求出临界载荷。结果对比证实了方法的正确性,且具有简便、计算量小、易于参数优化的优点。

水下近水面锥柱组合壳声固耦合效应的半解析求解方法

针对水下近水面锥柱组合壳声固耦合多借助于数值方法求解的现状,本文提出一种半解析方法从机理上分析此类问题。首先基于能量泛函和Sanders壳体理论、虚拟弹簧法以及力与力矩平衡条件建立锥柱组合壳的结构模型;然后采用Legendre谱元法和二维傅里叶变换得到含自由液面的水下声场模型;最后由非线性迭代法和高斯积分求解耦合系统声振控制方程。通过与参考文献和数值方法结果的对比,验证了本文方法的收敛性、正确性和可靠性。研究结果表明,结构参数、浸没深度和激励频率与远场辐射声压密切相关。本文工作可推广到水下含内部结构的复杂旋转组合壳在不同结构边界及声边界下的声固耦合问题。

水下复合材料舵结构的声目标强度特性仿真

基于声学有限元理论,结合自动匹配吸收边界层技术,计算水下复合材料舵的声目标强度。结果表明,当声波频率较低时,复合材料舵的吸声效果并不明显,但随着频率的增高,复合材料舵的声目标强度特性明显得到改善。

船舶机械低频声-固耦合数值模型中激励施加方式分析

声固耦合数值模型在预报低频机械噪声时克服了传统流固声数值模型分步计算的不足。常用的声-振分析软件如Virtual.Lab的直接声振耦合统一求解算法不能直接施加设备的加速度激励,常采用大质量法将设备机脚的加速度激励转化为力激励。论文基于结构有限元/声学自动匹配层(FEM/AML)声固耦合方法,提出将激励直接施加到设备质心处的简化大质量法。机械噪声预报结果与传统大质量法、流固声方法结果进行对比,验证简化方法的有效性。基于声固耦合数值模型预报船舶机械噪声时,可采用简化的大质量法将加速度激励转化为力激励,并作为输入直接施加到设备质心处。

基于扩展单调速率算法的水下平台通信系统

针对水下平台工作环境复杂、通信实时性和可靠性要求高的特点,设计了一套分布式冗余通信系统。该通信系统以西门子PLC S7-400H和工控机为主控制器,基于波分复用技术建立了冗余的光纤传输通路;同时提出了一种新型的扩展单调速率算法,对水下平台的任务进行了优先级分配,并基于此算法进行了通信系统软件设计。经过可靠性分析和半实物仿真试验验证,该通信系统的实时性、可靠性及冗余机制符合设计要求,可以成功应用于水下平台,效果良好。

自由液面对水下圆柱壳声振特性的影响

采用虚拟质量法计算水下圆柱壳的表面振速,结合半空间声学边界元法计算水下有限长圆柱壳的辐射声压,分析在不同浸没深度下辐射声压的变化。研究发现:浸深达几倍半径后,自由液面对水下圆柱壳振动的影响可以忽略,而自由液面对声压的影响不能忽略;声压在水深方向呈现规律波动和单调衰减现象,而在水平方向存在声压衰减率转折点,其位置与浸深相关,几乎不受频率影响;转折点之后声压逐渐表现出发散式波动,波动剧烈程度与频率和浸深成正比。用声学偶极子的辐射叠加原理解释研究现象的产生机理,结果可为工程应用提供理论参考。

弹性接触支撑梁横向振动动力学建模研究

考虑弹性梁与支撑弹簧之间的接触行为,建立三支撑弹性接触梁的分段线性动力学模型。采用假定振型法给出接触支撑梁的横向位移方程,推导得到梁和接触状态下的支撑弹簧的动能和势能,通过能量变分原理推导得到接触支撑梁的振动微分方程。利用Runge-Kutta法求解梁在简谐激励下的时域、频域响应。理论计算结果与有限元法的计算结果吻合良好,验证了方法的准确性。然后借助分岔图分析表明不同的激励幅值、激励频率和弹簧刚度系数会使接触支撑梁产生性质不同的周期运动或混沌运动,从而影响接触支撑梁的非线性振动特性。

水下环肋圆锥壳临界压力—频率特性分析

[目的]为了揭示水下环肋圆锥壳临界压力数值模拟的物理机理,对比试验测量方法的准确性,[方法]基于Flügge壳体理论,结合波传播法和Galerkin法研究水下环肋圆锥壳临界压力与固有频率之间的关系。采用刚度均摊法,将环肋的等效刚度代入壳体振动方程,计算得到固有频率及临界压力。[结果]研究表明,水下环肋圆锥壳固有频率的平方随静水压力的增大呈近似线性递减的关系,环肋圆锥壳的临界压力随环肋弹性模量、厚度、高度的增大而增大,且环肋对固有频率的影响显著。[结论]采用的计算方法准确、有效且方便简捷,可为水下环肋圆锥壳临界压力的无损预报提供新的求解方法与思路。

水下航行体推进轴系多状态下的变形特征分析

[目的]为了研究水下航行体推进轴系在多种状态下的变形及轴承负荷变化规律,[方法]以某水下航行体为研究对象,通过建立的轴系及水下航行体混合有限元模型,对该模型在船台、码头、水下3种工况下施加符合实际情况的载荷,以及设置相应的边界条件,计算航行体结构的变形,分别提取不同工况下的轴承位置变形和轴承负荷,并以轴承1和轴承3的连线为参考线,得到各工况下轴承位置处的相对变形。[结果]结果表明,针对该水下航行体,从船台工况到码头工况再到水下工况,轴系中心线的相对变形及其大小、轴承负荷的改变趋势均有差异;对船台工况的轴系轴承2预设向上0.090 9 mm的初始变形值,可达到轴系在水下工况处于理想状态的目的。[结论]研究结果可为水下航行体后续的轴系校中提供参考。

水下掩埋物目标强度仿真分析

为了探究海底泥沙下掩埋物的声散射特性,本文采用声学有限元方法与球面波分层介质中的折射原理,利用等效密度流体(EDFM)方法等效泥沙参数,结合COMSOL软件,对泥沙下掩埋的钢制实心球体的目标强度特性进行仿真分析。结果表明,目标强度随着等效密度、掩埋深度、泥沙吸收系数、等效声速的增加而减小,并随着频率的增加影响程度逐渐增大。参数变化不改变目标强度曲线的波型及波峰的位置。

某直翼桨型船舶尾部振动响应预报

直翼推进器是一种性能优良的新型推进装置,该推进器激励载荷与常规螺旋桨有较大区别,开展直翼推进器激励下尾部振动计算及预报具有重要意义。利用有限元法,针对直翼推进器作用于船体结构的轴承力和表面力激励,分别使用频域响应分析方法和时域响应分析方法计算尾部结构在额定工况下的振动响应。在基本方案的基础上,对比多方案在额定工况下的结构振动响应,分析不同结构方案对振动的影响。研究表明,采用考虑相位角的频域响应分析和时域响应分析两种方法计算结果吻合良好;合理地设置纵舱壁、适当增加板厚均能减小尾部振动。研究结果可为工程设计提供理论参考。

艉轴承刚度等效形式对轴系横向振动特性的影响

[目的]由于船舶艉轴承的长径比较大,将其简化为传统的单点支撑等效模型难以反映出轴承的实际运行情况,因此有必要探讨艉轴承等效形式对轴系横向振动特性的影响。[方法]首先,基于能量原理,引入改进傅里叶级数方法描述推进轴系的横向振动位移,构建可用于单点、多点和连续分布式支撑的多种等效形式的推进轴系横向振动特性计算模型;然后,分别分析由液膜压力等效的支撑刚度变化对轴系横向振动特性以及螺旋桨激励对轴系振动响应的影响;最后,与文献和采用有限元方法(FEM)计算的结果进行对比,验证所提模型的正确性。[结果]结果显示,多点支撑的计算结果收敛于连续分布式支撑计算结果,螺旋桨激励下轴系响应受转速影响。[结论]研究表明,可采用三点支撑等效形式研究液膜压力分布对推进轴系横向振动特性的影响,所构建的计算模型收敛性好、计算精度高、代价低。