推进轴系纵向振动引起的艇体声振特性分析

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ｐｎ Ｖ
【 （） ７ ／
［ ｐ。 ｒ ） （ ］ ＝
上 式（） ｃ 流体 介 质 中 的声速 ， 是波 数 ， 是 ７ 中， 是 流 固耦 合面 上 的法 向振速 ， 是 结 构表 面 与流 体 域 ｒ 中两 任 意 点 的距 离 ， ＝ｌ Ｐｌ Ｑ是 结 构表 面 上 任 ｒ Ｑ— ，
ｓ ｂ ｒｎ ｕ ｌｃ ｕ ｌ ｄ ｖ ｂ ａｉ ｎ ｗａ ａｙ ｅ ， ｎ ｈ ｃ ｕ ｔ ａ ｉｔｏ ｅｄ ｏ ｅ ｈ ｌ ｗａ ａｃ ｌｔ ｄ ｂ Ｅ ／ Ｍ ｕ ｍａ ｉ ｅ ｈ ｌ ｏ ｐ ｅ ｉ ｒ ｔ ｓ ａ ｌ ｚ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ａ ｏ ｓｉ ｒ ｄ ａｉ ｎ ｆ ｌ ｆ ｔ ｕ ｌ ｏ ｎ ｃ ｉ ｈ ｓ ｃ ｌｕ ａ ｅ ｙ Ｆ Ｍ ＢＥ
关键 词： 振动与波 ； 向振动 ； 纵 模态叠加法 ； 有限元／ 边界元法 ； 艇体声辐射 ； 动力吸振器 中图分类号 ： Ｂ ３ ； ６ ． Ｔ ５ ３ Ｕ６４２ 文献标识码 ： Ａ Ｄ 编码 ：０３６ ／ｉ ｎ１０ ．３ ５２ １．３ ３ ＯＩ １ ． ９ ．ｓ． ６１ ５ ． ２０ ． ６ ９ ｊｓ ０ ０ ０
节 点必 须相 匹配 ， 由于 水下 结构 形状 的不 规 则性 ， 但
２ １年 ６ ０２ 月
噪
声
与
振
动
控
制
１０Ｐ ２
ｐ 一
＝
第３ 期
。
建 模 难 度 很大 ； 是无 法 知 晓对 结 构水 下 声辐 射 贡 三 献 量最 大 的模态 。 鉴于 此 ， 文 采 用基 于 模 态 叠加 法 的有 限元 结 本 合边 界元 法计 算推 进轴 系纵 向振 动 引起 的整艇 水下 辐 射 噪 声 。充 分 考虑 推 进 轴 系 、 推力 轴 承 基座 和 艇 体 的耦合 关系 ， 建立 推进 轴系一 艇 体耦 合 结构模 型 ，
推进 轴系 纵 向振动 引起 的艇体 声振 特性 分析
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文 章编 号 ： ０ ６１ ５ （０ ２０ —１ ５０ １ ０ ．３ ５２ １ ）３０ ５ —４
推 进 轴 系 纵 向振 动 引起 的艇 体 声 振 特 性 分析
张赣波 ，赵 耀
（华中科技大学 船舶与海洋工程学院，武汉 ４ ０７ ） ３ ０４
意点， Ｐ是流 体域 任意 点 。
先 将 艇体和 流 体分 开 ， 解 出艇体 在空 气 中的模 态 ， 求
用 截 断后 的模 态矩 阵对 运动方 程进 行解 耦 后再计 入
流体 影 响 ， 算艇体 水 下声辐 射 。结果 显 示 ， 计 推进 轴 系一 艇 体第 １ 阶纵 向振动 模态 是 参 与艇 体 声辐射 的
ｔ ｅｔａ ｓ ｉｓｏ ｆｌ ｎ ｉ ｄ ｎ ｌ ｉ ｒ ｔ ｎ ｔ ｅｈ ｌ Ｃ ｅ ｄ ｃ ｅ ｓ ｄ Ｔ ｅａ ｏ ｓｉ ａ ｉｔ ｎ ｏ ｕ ｌ ｎ ｕ ｅ ｙ ｌ ｎ ｉ ｄ ｎ ｌ ｈ ｎ ｍ ｓ ｉ ｎ ｏ ｇｔ ｉ ａ ｂ ａ ｉ ｔ ｕ ｌ ａ ｂ ｅ ｒ ａ ｅ ． ｈ ｃ ｕ ｔｃｒ ｄ ａｉ ｆ ｌ ｉ ｄ ｃ ｄ ｂ ｇ ｔ ｉ ａ ｒ ｏ ｕ ｖ ｏ ｏｈ ｎ ｏ ｈ ｏ ｕ
ａ ｏ ｓｉ ａ ｉｔ ｎ； ｙ ａ ｃｖ ｂ ａｉ ｎ ａ ｓ ｒ ｅ ｃ ｕ ｔ ｒ ｄ ａｉ ｃ ｏ ｄ ｎ ｍｉ ｉ ｒ ｔ ｂ ｏ ｂ ｒ ｏ
推 进 轴 系纵 向振 动具 有 继 发 性 ， 对 推进 轴 系 除
局 部模 型难 以保 证真 实 的边 界条件 ， 难 以 对 整 艇 故
ｂ ｓ ｄ ｏ ｅｍ ｏ ｅｓ ｐ ｒ ｏ ｉ ｏ ｔ ｏ ． ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｈ ｔ ｈ ｎ ｉ ｄ ｎ ｌ ｉ ｒ ｔ ｎ ｍｏ ｅ ｉ ｏ ｅ ｏ ｉ ｄ ｓｗｈ ｃ ａ ｅ ｎ ｔ ｄ ｕ ｅｐ ｓ ｉ ｎ ｍｅ ｄ Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ａ ｅ ｌ ｇ ｔ ｉ ａ ｂ ａｉ ｄ Ｓ ｎ ｆｍａｎ ｍｏ ｅ ｉｈ ｈ ｔ ｈ ｓ ｔ ｏ ｕ ｖ ｏ
法 的有 限元结合边界元方法分 析推 进轴系纵 向振动激励下 的艇 体水下辐射声场 ， 分析表 明， 体第 １ 艇 阶纵 向振动模态 是参与艇体水下声辐射的主模态 。进一步在推力轴承及其基座 问安装动 力吸振器 以减小推进轴系纵 向振动 向艇体 的
传 递 ， 艇 体 水 下辐 射 噪 声得 到一 定程 度 上 的控 制 。 使
一
辐 射 问题开 展研 究较 多 ［４但是 这些 研究 都仅 建立 １］ －
艉 部舱 段模 型 ， 视推 进轴 系振动 对整艇 的影 响， 忽 且
收稿 日期 ： ０ １ ７２ ； ２ １－ —５ 修改 日期： ０ １０． １ ０ ２ １－９２ 作 者简介 ： 赣波（９ ７ ）男 ， 西省 九江 市人 ， 士 ， 张 １８ 一 ， 江 硕 目前 从事推进轴 系振动与噪声控制研究 。
Ｅｍａｌ ｕｔ ｂ ｍａｌｕ ｔｄ ． － ｉｈ ｓ ｇ ＠ｓ ｉｈ ｓｅ ｕｃ ： ｚ ． ． ｎ
般 要求 一 个 主波 长 内至 少有 四个 单元 ， 满足 以上
两 个要 求划 分 的流体 网格 数很 多 ， 计算 量浩 大 ； 二是
在 结 构 与 流体 的耦合 面 上 ， 体 单 元 与结 构 单元 的 流
由于 潜 艇艉 部 承 受 螺旋 桨 、 推进 轴 系 和 其他 一 些 动 力 机械 的激 振 力作 用 ， 当前 国 内外 应用 有 限 故 元 法 结合边 界 元法 围绕艇 体艉 部 结构振 动 引起 的声
元 模型 ， 对结 构进 行谐 响应 分析 ， 将结 构 网格模 并 再
型 和 表面 位 移 导入 到 边 界 元程 序 中进行 声 学 计算 。
ｆ ｕ ｄ ｔ ｎ ａ ｄ ｔ ｅ ｈ ｌ ｈ ｓ ｕ ｔ ｒ ｌ ｍｏ ｅ ｆ ｔ ｅ ｐ ｏ ｕ ｓｏ ｈ ｆ ｎ ｓ ｅ ｔ ｂ ｉｈ ｄ ｏ ｎ ａｉ ｎ ｈ ｕ １ ｅ ｔ ｃｕ ａ ｄ ｌ ｏ ｈ ｒ ｐ ｌｉｎ ｓ ａ ｉ ｇ ｗａ ｓａ ｌ ｅ ．Ｔｈ ｒ ｐ ｌｉ ｎ ｓ ａ ｉ ｇ — ｏ ．ｔ ｒ ｔ ｓ ｅ ｐ ｏ ｕ ｓｏ ｈ ｆ ｎ ｔ
ＺＨ ＡＮＧ ｎ— ｏ ． ＺＨＡ０ Ｙ ｏ Ｇａ ｂ ａ
（Ｈｕ ｚｏ ｇＵ ｉｅｓｙｏ ｃ ｎ ｅ Ｔ ｃｎ ｌｇ Ｗｕ ａ ３ ０ ４ ｈｎ ） ａｈ ｎ ｎｖ ｒｉ ｆ ｉ ｃ ＆ ｅｈ ｏｏ ￣ ｔ Ｓｅ ｈ ｎ ４ ０ ７ ，Ｃ ｉａ
Ａｂ ｔａ ｔ： ｈ ｕ ｓ ｔ ｅ ｔ ｒ ｓ ｏ ｒ ｐ ｌ ｒｉ ｄ ｃ ｄ ｂ ｓ ｍｍｅｒｃ ｌ ｋ ｅｄ ｃ ｎ ｃ ｕ ｅｌ ｎ ｉ ｄ ｎ ｌｖｂ ａｉ ｎ ｏ ｅ ｓｒｃ Ｔ ｅ ｐ ｌａｉ ｕ ｔ ｆ ｏ ｅ ｌ ｕ ｅ ｙ ａ ｙ ｌ ｈ ｐ ｅ ｎ ｔ ａ ｉ ｗａ ｅ ｆ ｌ ａ ａ ｓ ｏ ｇ ｔ ｉ ａ ｉ ｒ ｔ ｆｔ ｉ ｕ ｏ ｈ ｐ ｏ ｕ ｓｏ ｈ ｆｉ ｇ Ｔ ｅ ｖ ｂ ａｉ ｎ ｗｉ ａ ｓ ｔｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｓ ａ ｔ ｇ ｈ ｕ ｔｂ ａ ｎ ｎ ｏ ｎ ａｉ ｎ ｔ ｈ ｕ ｍａ ｎ ｕ ｌ ｒ ｐ ｌｉｎ ｓ ａ ｔ ． ｈ ｉ ｒ ｔ ｌ ｔ ｎ ｍｉ ｈ ｏ ｇ ｈ ｆｉ ，ｔ ｒ ｓ ｅ ｔ ｇ ａ ｄ ｆ ｕ ｄ ｔ ｏ ｔ ｅ ｓ ｂ ｒ ｅ ｈ ｌ ｎ ｏ ｌｒ ｈ ｎ ｉ ｏ ｉ ， ａ ｄ ｉ ｄ ｃ ｈ ｏ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｕ ｄ ｒ ｔｒ ａ ｏ ｓｉ ａ ｉｔ ｎ ｏ ｈ ｕ １ ｏ ｓｄ ｒ ｇ ｔ ｅ ｃ ｕ ｌｄ ｆ ｃ ｏ ｈ ｆ ｎ ， ｎ ｎ ｕ ｅ ｔ ｅ ｌ ｗ ｑ ｅ ｃ ｎ ｅ ｗａｅ ｃ ｕ ｔ ｒ ｄ ａ ｉ ｆ ｔ ｅ ｈ ｌ．Ｃ ｎ ｉ ｅ ｎ ｈ ｏ ｐ ｅ ｅ ｅ ｔ ｆ ｓ ａ ｔ ｇ ｒ ｃ ｏ ｉ ｉ
这 种 计 算 方 法有 以下 几 方 面 局 限性 ： 是用 有 限 一 流 场 区域 截 断模 拟无 限远 处辐 射 条 件 ， 体 边 界距 流 离 结 构 中心 至 少 ０ Ａ为 最 小 分 析 频 率 对 应 波 ． Ａ（ ２
长１ 且 流 体 网格 必 须 足 够 小 以致 能分 辨 最 小 主频 ， ，
的水下 声辐射 做 出准确 预报 。
自身 产 生损 坏 外 ， 推 力轴 承 基 座传 递 至 艇 体 的二 经
次 激 励 力还 会 引 起艇 体 振 动 ， 向水 下 辐 射低 频 噪 并
声 。
目前 ， 有 限元 法 结合 边 界 元法 计 算 水 下 结构 用
声 辐射 的基 本 流程 为 ： 首先 建 立 结 构流 体耦 合 有 限
ｐ ｒｉｉ ａ ｅ ｅ ａ ｏ ｓｉ ａ ｉ ｔ ｎ Ｂ ｓｉ ｉｇ ａｄ ｎ ｍｉ ｉｒ ｔｏ ｂ ｏ ｂ ｒｂ ｔ ｅ ｅｔ ｒ ｓ ｅ ｒ ｇ ａ ｄ ｉ ｏ ｎ ａｉ ｎ ａｔ ｐ ｔ ｓｔ ｃ ｕ ｔ ｒ ｄ ａｉ ． ｙ ｉ ｔ ｌ ｙ ａ ｃ ｖ ｂ ａｉ ｎ ａ ｓ ｒ ｅ ｅｗｅ ｎ ｔ ｈ ｕ ｔ ａ ｉ ｎ ｓｆ ｕ ｄ ｔ ， ｃ ｈ ｃ ｏ ｎ ｌｎ ｈ ｂ ｎ ｔ ｏ
主模 态 。降低 推进 轴系 纵 向振动 引起 的艇 体 声辐射 最直 接 的方法 就是 减小 推进 轴系 纵 向振动 向艇 程化 为包 围结构封 闭 表 面 上 的单 频 声场 Ｈｅｍ ｏｔ积 分 方 程 。 当 Ｐ在 结 ｌ ｈｌ ｚ 构 表面 上 时， 到结构表 面 Ｈ ｌ ｏｔ积 分方程 为 得 ｅ ｍｈ ｌ ｚ
ｖｂ ａ ｉ ｎ ｏ ｐ ｏ ｕ ｓ ｎ ｓ ａ ｔ ｇ ｃ ｎ ｂ ｏ ｔ ｌ ｄ ’ ｉ ｒ ｔ ｆ ｒ ｐ ｌｉ ｈ ｆ ｎ ａ ｅｃ ｎ ｒ ｌ ． ｏ ｏ ｉ ｏ ｅ
Ｋｅ ｒ ｓ ： ｉｒ ｔｏ ｎ ｖ ； ｏ ｇ ｔ ｄｎ ｌｖ ｂ ａｉ ｎ ；ｍｏ ｅ ｓ ｐ ｒ ｏ ｉ ｏ ｔ ｏ ；Ｆ Ｍ ／ Ｍ ；ｓ ｂ ｒ ｅ ｈ ｌ ｙ ｗｏ ｄ ｖ ｂ ａｉ ｎ ａ ｄ ｗａ ｅ ｌ ｎ ｉ ｉ ａ ｉｒ ｔｏ ｕ ｄ ｕ ｅｐ ｓｔ ｎ ｍｅｈ ｄ ｉ Ｅ ＢＥ ｕ ｍａ ｎ ｕ ｌ ｉ
传 递 ， 个可 能 的 途径 是 在 振动 主 要传 递 路 径 上安 一
装 动 力 吸振 器 。分析 表 明 ， 力吸 振 器 对 推进 轴 动 系 纵 向振 动 引起 的艇 体 辐 射 噪声 具 有 一 定控 制 效
摘 要： 螺旋桨在艇 体艉部不均匀伴 流场中旋转产生 的脉 动推力激励起 推进 轴系纵 向振动 ， 振动 经推 力轴承基座
传 递至艇体 ， 引起艇体水下低 频辐射噪声 。通 过建立推进轴系 、 推力轴承基 座和艇体耦合 结构模型， 分析推进轴系一
艇 体的耦合振动模态 ， 结果显 示， 艇体弹性支撑边界条件对推进轴 系的纵 向振动特 性有一定影响 。采用基于模态叠加
Ａｎ ｌ ｓｓｏ ｂ ａ ｉ ｎ ａ ｄＡｃ ｕ ｔ ｄ ａ ｉ ｎ ｏ ｕ ｍａ ｉ ｅＨｕ ｌ ａｙ ｉ ｆ Ｖｉ ｒ ｔ ｎ ｏ ｓｉ Ｒａ ｉｔ ｆＳ ｂ ｒｎ ｌ ｏ ｃ ｏ Ｉ ｄ ｃ ｄｂ ｏ ｇ ｔ ｄ ｎ ｌ ｂ ａ ｉ ｎ ｏ ｒ ｐ ｌｉ ｎ Ｓ ａ ｔ ｇ ｎ ｕ ｅ ｙ Ｌ ｎ ｉ ｉ ａ ｒ ｔ ｆ ｏ ｕ ｓｏ ｈ ｆｉ ｕ Ｖｉ ｏ Ｐ ｎ