复合材料圆柱壳声目标强度数值分析

复合材料圆柱壳声目标强度数值分析

裴秋秋;朱锡;张焱冰;仝博;周艳秋

【摘要】In order to study the acoustic scattering characteristics of composite cylindrical shell, the simulation analysis of underwater composite cylindrical shell under the condition of air backing was established to investigate layer angle, fiber layer and shell thickness ratio

on the intensity of the acoustic target, which was based on the finite element method and combined with AML technology. Results show that the ply angle of cylindrical shell has great effect on the intensity of the acoustic target at low and intermediate frequency. The influence of the ply angle on the intensity of the acoustic target converges at high frequency. Fiber layer has little effect on the intensity of the acoustic target. Within a certain range, the smaller the shell thickness ratio, the smaller the intensity of the acoustic target.%为研究复合材料圆柱壳的声散射特性，本文基于有限元法，并结合AML技术，计算并分析水下空气背衬条件下复合材料圆柱壳铺层角度、纤维层数和壳厚比对复合材料圆柱壳声目标强度（ TS）的影响规律。结果表明：

低中频时，圆柱壳铺层角度对TS影响较大；高频时，铺层角度对TS影响趋于一致；纤维层层数对TS影响不大；一定范围内，壳厚比越小，声目标强度值越小。【期刊名称】《舰船科学技术》

【年(卷),期】2016(038)004

【总页数】5页(P23-27)

【关键词】合材料圆柱壳;有限元法;AML技术;声目标强度

【作者】裴秋秋;朱锡;张焱冰;仝博;周艳秋

【作者单位】海军工程大学舰船工程系，湖北武汉430033;海军工程大学舰船工

程系，湖北武汉430033;海军工程大学舰船工程系，湖北武汉430033;海军工程大学舰船工程系，湖北武汉430033;骆驼集团股份有限公司，湖北襄樊441100【正文语种】中文

【中图分类】TB535

复合材料结构集承载与吸声功能于一体，并且具有振动阻尼性能好、浮性高、磁信号低、容易成型等优点，目前应用于许多领域，例如飞机机舱、潜艇和汽车制造等。将新型复合材料用于潜艇壳体的制造，可以实现潜艇隐身技术和综合性能的跨越式发展。虽然潜艇隐身技术已经取得很大进步，但国外从未停止过对新型潜艇声隐身技术的探索与研究，近期提出并开展了一些非传统的隐身技术及概念研究［1］。潜艇声隐身研究可转化为复合材料圆柱壳声隐身研究，通过降低声目标强度，使潜艇不易被敌方声呐探测。

过去几十年，许多研究人员致力于研究复合材料结构的声学特性。石勇［2］运用传递矩阵法研究了三明治夹芯板材结构的声学性能，结果表明，表层越薄，夹层结构的声反射越小，吸声系数越大；王华玉［3］对表面敷设粘弹性吸声材料的物体目标强度进行研究，并以单壳体和双壳体圆柱壳模型为例，对表面敷设均匀吸声层和含腔吸声层不同情况下进行仿真计算；张玉玲［4］研究了敷设吸声材料复杂目标的目标强度计算方法，并利用板块元法计算复杂目标敷设吸声层前后的目标强度，结果表明，低频 1～30 kHz 时，吸声效果不明显，随着频率增大，敷设吸声材料

后的目标强度降低值越大；邱力莹［5］运用面向对象有限元法研究了水声吸声覆

盖层的声学特性，通过改变吸声材料的物理参数，分析了吸声材料厚度、密度、杨氏模量、泊松比和损耗因子对声反射特性的影响，并计算了无空腔均匀层吸声覆盖层的声反射系数；Seyyed［6 - 7］运用传递矩阵法研究了水下 FGM 圆柱壳声散

射问题，并分析了材料参数对 FGM 圆柱壳形态函数的影响。大量研究人员着重研究复合材料板材结构或敷设消声瓦的圆柱壳及 FGM 圆柱壳的声学性能，但是复合材料圆柱壳的声散射问题的研究较少，本文着重于铺层角度、纤维层数及壳厚比对复合材料圆柱壳的声目标强度影响规律研究，并进行理论分析与对比，为复合材料圆柱壳的设计提供一定的依据。

数值方法在 20 世纪 80 年代得到了广泛应用，边界元法［8］是对边界采用有限

的概念，减少空间维数，使计算机内存的占用和运算时间均减少，但只能给出边界上的量值，无法深入到物体内部，只要结构发生更改，就必须对边界作修改。在水声领域应用最广泛的是有限元法，对单元结构、流体和界面进行网格离散，考虑流体介质对吸声结构的影响，在流固边界设置耦合单元，并采用AML自动匹配声辐射边界条件技术研究研究吸声结构的平面声波散射问题。

AML 技术是在 PML 技术上发展的是新型仿真方法，根据给定的声学有限元辐射

边界，自动地根据物理模型定义吸收层和吸声边界条件。不仅提高了计算精度，而且降低了工作计算量，提高了计算速度。AML 方法能够根据给定的计算频率自动

生成并调整PML 层，提高了低频和高频计算精度。

1.1 数值分析原理

声学数值计算方法可以分为声学有限元法、声学边界元法、声线法和统计能量法等。有限元法可应用于以任何微分方程描述的各类物理场中，其在声学方程求解上发展了很多年，根据波动方程，使用有限元法将其离散后，并根据相应的边界条件即可求出声场。针对固-固边界，应用法向、切向应力分别连续、各方向的质点位移连续；针对固-流边界，应用固体中的法相应力与水中声压大小相等、符号相反，固