船舶水下辐射噪声特性研究

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其中 !. 为流体区域内任意点的坐标矢量 $/ 为流 & 固交界面 % 上任意点的坐标矢量 % 对于全空间问 题其格林函数 1 % .@/ & %4
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速度向量和位移向量 ( # 为结构载荷向量 ( ! 为正交变换矩阵 ( ! 是湿表面的对角面积矩阵 ! 积 ! $$ %" &" %"
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单位矢量 ’如图 &’.- 所示 (% 对于自由空间问题 !/011234256 辐射条件也必须满足!&,#%
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式中 !*& 和 )& 分别是 % 面上结构的法向位移和流体质点的法向振速 $ "( 为流体密度 $& 为 % 的外法向
7 引 言
船舶水下辐射噪声对舰艇隐身性有着非常重要的影响 " 声波在海水中可以传播很远的距离 "从而 收稿日期 +"##"Z#[Z!作者简介 + 邹春平 %!U+"Z$" 男 " 上海交通大学副教授 *
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船舶力学
第 M 卷第 " 期
使声源易于被探测和遭到攻击 ! 降低舰艇的水下辐射噪声不仅可以提高舰艇自身的隐蔽性 " 而且还可 以增大自身声纳系统的作用距离 " 从而大大提高舰艇的水下对抗能力 ! 国内 # 外许多学者对水下声辐 射开展了大量的研究工作 ! 沈顺根 #吴文伟等在这个领域取得了一系列研究成果!"#$"%&! 何祚镛利用边界 元技术对 ’()*+(),- 积分进行离散化来分析单频声场的特性 !.&! 汤渭霖等 !/"0&利用解析法对加肋双层壳 体水下辐射噪声进行分析 ! 然而 "计算复杂结构的水下辐射噪声特性大多采用数值法 ! 随着数值计算 方法的发展 "1234523 方法已经成为研究三维任意复杂结构在外力作用下的稳态声辐射特性和声振 耦合机理的有力工具!%#"6&! 沈顺根等采用有限元和流体边界元相结合的方法将复杂结构的振动能量从 基座传递到艇体结构 " 然后 " 向周围介质辐射声波 !%&! 7+89: 等利用 1234523 技术分析柴油机激励引 起的潜艇典型结构 $加肋圆柱壳体 % 振动及水下辐射噪声!"6&! 降低船舶结构振动引起的水下辐射噪声对于各类船舶都是十分重要的 ! 等船舶建造好以后再考 虑其结构振动和水下辐射噪声的减振降噪问题 " 往往不能取得很好的效果 ! 如果能够在船舶设计过程 中对其予以考虑 " 从而修改船舶某些设计参数并提出切实可行的降噪方案 " 对降低水下辐射噪声将是 十分有利的 ! 基于上述观点 " 本文利用 1234523 技术提出了一种在船舶设计过程中预报船舶水下辐 射噪声的方法 ! 耦合 1234523 技术 " 即 123 处理结构 "523 处理流体空间 " 是流 & 固耦合问题数值 求解的自然选择 ! 123 是分析结构动态特性广泛应用的方法之一 " 然而对于声辐射和散射问题的求 解 "523 在许多情况下优于 123!""&! 目前 " 国内 # 外大多数有关这方面的研究工作都限于水下结构的振 动和辐射噪声问题 !";$"/#"$&" 而本文则研究水面船舶的结构振动及由此产生的水下辐射噪声问题 ! 这在 处理方法和边界条件方面与前者均有较大的差别 ! 本文主要内容包括 ’$" % 首先给出了计算弹性结构 振动的有限元公式以及水下辐射噪声的边界元公式 " 并建立统一的耦合方程 ($6 % 利用壳 # 梁和 $< 等 五种类型的单元和 $= 种类型的几何参数构造一个接近于真实船舶的有限元模型 ( $$ % 利用 >?@A@ 软件对船舶与水介质的耦合振动进行数值计算 " 然后将船舶外表面的振动位移输入到 @A@?BC@2 软 件并将其计算成为速度边界条件 "用于水下辐射噪声的计算 !
" G6H7=CI68C 35 (612789174 ’8>9866=98>/ ’7BC E2987 029HJK94:98> L8BC9CKC6/M268N978> "!"##$/E2987O
34."+*(" " @26 5989C6 646I68C P&’(O 78: C26 J3K8:7=D 646I68C I6C23: P)’(O 7=6 13IJ986: C3>6C26= C3 B34A6 C26 K8:6=<7C6= =7:97C938 839B6 35 B29HB, &9=BC/7 5989C6 646I68C I3:64 35 68C9=6 B29H 9814K:98> H3<6= H478C 98 68>986 =33I 9B JK94C JD KB98> $# >63I6C=91 H7=7I6C6=B 78: 59A6 Q98:B 35 5989C6 646I68CB/BK12 7B 0R’SS+$/ )’.(-/0TSLGUV/ET()LW!- 78: (.00"!,&989C6 646I68C I6C23: 9B 6IH43D6: C3 7874DX6 C26 A9J=7C938 =6BH38B6B 35 B29H C3 6Y19C7C938B 98 138B9:6=7C938 35 54K9:ZBC=K1CK=6 98C6=71C938,@268/C26 3KC6= BK=! 5716 35 5989C6 646I68C I3:64 9B C=67C6: 7B C26 J3K8:7=D 646I68C I3:64 78: C26 A9J=7C938 :9BH4716I68C =6! BH38B6B 35 C26 B29H BK=5716 7=6 C=67C6: 7B C26 A64319CD J3K8:7=D 138:9C938 53= 1741K47C938 K8:6=<7C6= =7:97! C938 839B6,)3K8:7=D 646I68C I6C23: 9B 6IH43D6: C3 1741K47C6 C26 K8:6=<7C6= =7:97C938 839B6,L8 C29B H7H6=/ C26 K8:6=<7C6= =7:97C938 839B6 35 B29H C3 H=3HK4B938 :96B64 68>986/7KY9497=D :96B64 686=>D 3= >67=J3Y 6Y19! C7C938B 27A6 J668 H=6:91C6: =6BH61C9A64D,.8:/ C3C74 B3K8: H=6BBK=6 46A64B 35 B29H K8:6=<7C6= =7:97C938 839B6 C3 744 6Y19C7C938B 27A6 J668 1741K47C6: :K=98> :6B9>8 H27B6 78: B23< 7 >33: 7>=66I68C <9C2 6YH6=9I68C744D I67BK=6: =6BK4CB, 5,% 2&+1.6 B29HF K8:6=<7C6= =7:97C938 839B6F 54K9:ZBC=K1CK=6 98C6=71C938F 5989C6 646I68C I6C23:F J3K8:7=D 646I68C I6C23:
并且 )H ’;" !
6
第&期
邹春平等 # 船舶水下辐射噪声特性研究
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!"! 流体边界元法
简谐激励作用下 !结构振动在可压缩 " 无粘性 " 非流动的介质中产生的辐射声压波动方程为!"##
$ ! ! % &$ " ! $ " "# $ $
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其中 #! 为瞬时声压 $# 为时间变量 $! 为拉氏算符 $$ 为流体介质中的声速 % 在流 & 固交界面 % 上考虑 动量和连续性需满足如下边界条件 #
#$#$
! 产生的矩阵能理解为转变负方向的流体压力向量成为系统坐标中的结构载荷向量 ! #$ &" ’ 为流体压
力向量 ! 假设所有压力 # 位移 # 速度都是和时间相关的 ( 的函数 " 则 $" % 式可以写为 ’
6 ! #$ % & K)! # ,$ H #$ - #! ." &" / #! ! G)! ! "" G! +" !" )!*
流 & 固Leabharlann Baidu界面 % 上时 !$ % 为 $# $. 位于结构区域 )’ 内时 !$ % 为 9% 然而在通常情况下 $ % 总可以 .& .& .& 表示为!&A##
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图 & 结构和声介质的耦合振动模型
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其中 !+% .*/ 是点 . 和流 & 固交界面 % 上点 / 之间的坐标矢量 $0 是波数 % 使用加权残值法 ! 微分方 程 ’(( 能转变成等价的积分方程 ! 对于外部声场问题可以得到 ;251<05=> 积分方程!&9#%
$% .& !% .& %
! 结构振动声辐射的分析理论
!"# 结构有限元法
当弹性结构置于声学介质中时 " 流体与结构交接面上的流体与结构之间存在着相互作用 " 对整个 系统的研究成为一个结构 & 流体耦合振动问题 ! 考虑一个任意形状 " 置于水中的三维弹性结构承受内 部载荷的结构振动问题 $ 图 " $DE 所示 %! 如果结构由有限元建模 "对结构导出的运动微分方程为!".&’
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船舶力学
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船舶水下辐射噪声特性研究
邹春平 !!"#陈端石 !!华宏星 !
!! 上海交通大学机械与动力工程学院 " 上海 "###$# # " 华东船舶工业学院机械工程系 " 江苏 镇江 "!"##$ $ 摘要 ! 本文采用有限元 % 边界元 %&’(%)’(& 方法对船舶水下辐射噪声特性进行研究 ’ 首先应用五种类型的有限单 元建立了接近于真实船舶结构的有限元模型 ! 包括机舱动力设备 &" 并应用有限元法完 成 了 流 ( 固 耦 合 状 态 下 " 船舶结构振动位移响应数值计算 ’ 然后将有限元模型的外表面处理成边界元模型 " 并由船舶外表面位移响应计 算得到用于水下辐射噪声计算的速度边界条件 ’ 最后利用边界元技术对船舶水下辐射噪声特性进行研究 ’ 本文 预估了仅考虑推进柴油机激励 ) 柴油发电机组激励 ) 齿轮箱激励以及所有激励情况下的船舶水下辐射噪声 " 并将 其数值计算与实际测量结果比较 " 比较结果符合良好 * 关键词 ! 船舶 # 水下辐射噪声 # 流 ( 固耦合 # 有限元法 # 边界元法 中图分类号 ! *++!,-文献标识码 ! .