本文關(guān)鍵詞：船舶三維聲彈性理論　出處：《中國(guó)艦船研究院》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)船舶結(jié)構(gòu)流固耦合振動(dòng)和聲輻射特性問(wèn)題開(kāi)展了許多理論和試驗(yàn)研究。許多研究針對(duì)大為簡(jiǎn)化的平板、加筋平板、加筋圓柱殼等典型結(jié)構(gòu)形式，在無(wú)界均勻介質(zhì)中的振動(dòng)與聲輻射；試驗(yàn)研究亦多為縮尺度模型機(jī)理試驗(yàn)。盡管該領(lǐng)域的研究取得了很大的進(jìn)展，如何科學(xué)地反映流體與水中結(jié)構(gòu)在振動(dòng)與聲輻射過(guò)程中的耦合作用，分析闡明一艘船舶在不同水深、不同潛深、不同方位和距離上形成輻射聲場(chǎng)的分布特征和相互之間的差異，說(shuō)明振動(dòng)、船體近旁自噪聲和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲之間的傳遞和演變規(guī)律，成為船舶振動(dòng)噪聲領(lǐng)域關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。這要求進(jìn)一步發(fā)展一個(gè)適于任意形狀的、具有復(fù)雜內(nèi)外結(jié)構(gòu)的船舶，能計(jì)及自由液面、海底及航速影響，具有可接受的工程計(jì)算精度，計(jì)算量能為現(xiàn)有船舶研究與設(shè)計(jì)部門的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力承受的船舶三維聲彈性計(jì)算分析理論和方法。 本文正是針對(duì)該工程背景，在Wu（1984）建立的浮體三維水彈性力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，有所創(chuàng)新和拓展，發(fā)展建立了船舶三維聲彈性理論及計(jì)算方法。具體包含六部分內(nèi)容。 第一部分，通過(guò)引入計(jì)及自由液面效應(yīng)的理想可壓流體Green函數(shù)，并基于Price-Wu廣義流固界面條件，建立了帶航速和考慮自由液面的均勻聲介質(zhì)中的船舶三維聲彈性理論。該理論既適用于聲輻射問(wèn)題，也適用于聲散射問(wèn)題。由于在船舶聲彈性理論中計(jì)入了航速的影響，理論上更加完備。量階分析和數(shù)值計(jì)算表明，航速對(duì)船舶流固耦合振動(dòng)及水下聲輻射會(huì)有影響，但其影響主要限于低頻域及近場(chǎng)區(qū)。 第二部分，針對(duì)我國(guó)近海的實(shí)際情況，重點(diǎn)考慮淺海海底與水面的影響，暫不計(jì)及海水密度與聲速等的變化與分層，將均勻聲介質(zhì)中的船舶三維聲彈性理論與海洋聲傳播理論相結(jié)合，引入Pekeris水聲波導(dǎo)模型，建立了有限水深海洋聲學(xué)環(huán)境中的船舶三維聲彈性理論及分析方法。詳細(xì)論述了耦合求解三維結(jié)構(gòu)聲彈性響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程和水聲傳播方程的方法與步驟，并針對(duì)常見(jiàn)淺海的特征，給出了Pekeris波導(dǎo)Green函數(shù)的近似級(jí)數(shù)表達(dá)式，有效降低了數(shù)值計(jì)算的復(fù)雜度、減少了計(jì)算量。 第三部分，為提高上述船舶三維聲彈性理論及分析方法的工程實(shí)用性，建立了三種配套的有助于增加計(jì)算效率和解決常用工程問(wèn)題的專用計(jì)算方法： 其一，船舶聲彈性子結(jié)構(gòu)分離與集成方法（SSSI方法）和解析/數(shù)值混合子結(jié)構(gòu)方法（MANS方法）。建立了能有效提高計(jì)算效率，特別適用于解決船體內(nèi)部子結(jié)構(gòu)（如橫艙壁、鋪板、基座等）振動(dòng)噪聲傳遞效果分析及優(yōu)化的船舶聲彈性子結(jié)構(gòu)分離與集成方法。其主要思想是：將主船體與船內(nèi)子結(jié)構(gòu)分離，采用模態(tài)綜合超單元方法形成子結(jié)構(gòu)的輸入輸出自由度縮聚動(dòng)剛度矩陣，采用三維聲彈性方法實(shí)現(xiàn)主船體與水介質(zhì)的流固耦合求解，通過(guò)邊界連接條件完成主船體與子結(jié)構(gòu)的綜合集成。進(jìn)而針對(duì)潛艇類水下船舶主體結(jié)構(gòu)的特征，采用兩端簡(jiǎn)支單層加肋圓柱殼解析計(jì)算模型來(lái)描述主船體結(jié)構(gòu)，應(yīng)用解析方法求解流固耦合作用，建立了解析/數(shù)值混合的聲彈性子結(jié)構(gòu)方法。該方法可有效提高計(jì)算效率和擴(kuò)展計(jì)算頻段范圍。 其二，敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層的船舶三維聲彈性分析方法。針對(duì)船舶表面敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層降低聲目標(biāo)強(qiáng)度和水下輻射噪聲這一工程問(wèn)題，進(jìn)一步建立了敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層的船舶三維聲彈性力學(xué)理論和計(jì)算方法。通過(guò)引入描述聲學(xué)覆蓋層內(nèi)外表面間聲振傳遞的四端參數(shù)法，實(shí)現(xiàn)“船體結(jié)構(gòu) 聲學(xué)覆蓋層 水介質(zhì)”的聲振耦合求解。 其三，雙流域耦合的三維聲彈性分析方法。針對(duì)雙層殼水下船舶存在舷間水耦合的特點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)展了雙流域耦合的船舶三維聲彈性計(jì)算方法，擴(kuò)展了工程應(yīng)用的范圍。 第四部分，針對(duì)簡(jiǎn)單源匯分布法（簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)單源方法）中不規(guī)則頻率問(wèn)題，提出了虛擬阻抗封閉曲面法（CVIS方法）。以往在聲彈性領(lǐng)域的邊界元計(jì)算中較多地采用Helmholtz積分方法，先后曾發(fā)展了多種應(yīng)用Helmholtz積分方法時(shí)處理不規(guī)則頻率處解的非唯一性問(wèn)題的方法。采用簡(jiǎn)單源匯分布法求解聲場(chǎng)時(shí)同樣存在不規(guī)則頻率問(wèn)題。本文根據(jù)簡(jiǎn)單源匯分布法中不規(guī)則頻率產(chǎn)生的機(jī)理，提出了在浮體內(nèi)部的虛擬流場(chǎng)中引入一個(gè)虛擬的阻抗封閉曲面，用于吸收聲振能量，抑制內(nèi)部虛擬流場(chǎng)的共振，有效地消除了聲學(xué)問(wèn)題求解時(shí)易出現(xiàn)的不規(guī)則頻率。 匯聚上述內(nèi)容，形成了一套較完整的可用于分析復(fù)雜船舶結(jié)構(gòu)低中頻段振動(dòng)與聲輻射的聲彈性理論框架、數(shù)值方法和應(yīng)用工具。在此基礎(chǔ)上，編制了數(shù)值計(jì)算程序，作為一個(gè)單獨(dú)的模塊（聲學(xué)計(jì)算模塊）并入到大型水彈性計(jì)算軟件THAFTS中。 第五部分，本文采用算例與解析解的比對(duì)和試驗(yàn)驗(yàn)證的手段，對(duì)理論、計(jì)算方法和計(jì)算程序模塊的正確性、實(shí)用性進(jìn)行了考核驗(yàn)證。其中的試驗(yàn)驗(yàn)證包括開(kāi)闊有限水深環(huán)境中小尺度艙段結(jié)構(gòu)的聲輻射試驗(yàn)驗(yàn)證和水池內(nèi)實(shí)尺度船體艙段結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)及水中聲輻射的試驗(yàn)驗(yàn)證。比對(duì)和驗(yàn)證的結(jié)果表明，本文所述的理論方法和計(jì)算程序能有效應(yīng)用于復(fù)雜船舶結(jié)構(gòu)的聲彈性響應(yīng)分析預(yù)報(bào)。 第六部分，圍繞在船舶輻射噪聲工程領(lǐng)域人們密切關(guān)注的問(wèn)題，利用本文建立的理論、計(jì)算方法和軟件開(kāi)展了選取不同采樣時(shí)段聲壓信號(hào)對(duì)船舶聲源級(jí)評(píng)定的影響、不同距離處的聲壓值對(duì)船舶聲源級(jí)評(píng)定的影響、不同水深和潛深環(huán)境對(duì)船舶輻射噪聲的影響以及不同方位的聲壓特征對(duì)船舶聲源級(jí)評(píng)定的影響四方面的應(yīng)用研究。據(jù)于該研究的數(shù)例，建議了可操作性較強(qiáng)、能穩(wěn)定地反映船舶輻射噪聲頻譜特征及噪聲級(jí)評(píng)定結(jié)果的采樣和聲壓信號(hào)處理方法；給出了不同水深和潛深環(huán)境中船舶近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射聲的分布特征、可供參考的初步規(guī)律；提出了利用本文的方法和程序計(jì)算一艘船在不同水深和潛深環(huán)境中的輻射噪聲頻譜，進(jìn)而歸納出該船在給定頻段內(nèi)的總聲級(jí)在不同水深與潛深中換算關(guān)系的修正圖譜的建議，并給出了兩幅可用于把示例船在淺水或小潛深狀態(tài)下的噪聲級(jí)采樣評(píng)定結(jié)果修正到其它水深潛深的圖譜的例子。最后，給出了應(yīng)用本文開(kāi)發(fā)的計(jì)算軟件預(yù)報(bào)多種機(jī)械設(shè)備激勵(lì)引起的實(shí)船結(jié)構(gòu)振動(dòng)和水下輻射噪聲的簡(jiǎn)要示例，與測(cè)試結(jié)果作了比對(duì)，說(shuō)明了方法與軟件的可用性。目前，該計(jì)算方法與軟件已在多個(gè)工程項(xiàng)目中應(yīng)用。
[Abstract]:Many theoretical and experimental studies have been carried out on the vibration and acoustic radiation characteristics of ship structures at home and abroad for many years . Many researches have focused on the vibration and acoustic radiation in the non - bounded homogeneous medium in the typical structures such as flat plate , stiffened plate , stiffened cylindrical shell , etc . Based on the theory of three - dimensional hydro - elastic mechanics established by Wu ( 1984 ) on the basis of the engineering background , this paper develops and develops the theory and calculation method of ship ' s three - dimensional acoustic elasticity . In the first part , the theory of three - dimensional acoustic elasticity of ship in uniform acoustic medium with speed and free surface is established by introducing the ideal compressible fluid Green function of the effect of free liquid surface . The theory is not only applicable to acoustic radiation , but also to the problem of acoustic scattering . In the second part , aiming at the actual situation of the near sea in China , the influence of the shallow sea floor and the water surface , the temporary uncounted and the change and the layering of the sea water density and sound speed are emphatically considered , and the three - dimensional acoustic elasticity theory of the ship in the homogeneous acoustic medium is combined with the ocean sound propagation theory , and the three - dimensional acoustic elasticity theory and the analysis method of the ship in the ocean acoustic environment with limited water depth are introduced . The third part , in order to improve the engineering practicability of the three - dimensional acoustic elasticity theory and the analysis method of the ship , establishes three special calculation methods which can help to increase the calculation efficiency and solve the common engineering problems : The main idea of this method is to separate the main hull from the substructure of the ship , and to use the modal synthesis superunit method to solve the vibration noise transmission effect analysis and optimization of the substructure of the hull ( such as transverse bulkhead , planking , base , etc . ) .

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本文編號(hào)：1363936