水下航行器复合材料上层建筑声振特性研究

摘要

相对于传统钢质材料，复合材料由于具有比强度高、声学性能优、可设计性强等优点，已在水下航行器结构中得到广泛应用。而结构辐射噪声作为衡量水下航行器战斗力和生命力的重要指标，是各种声学探测武器的主要目标，同时也是干扰主动声呐工作的主要因素。对于水下航行器这类大型复杂结构而言，其上层建筑采用复合材料夹芯结构后的水下振动声辐射特性，直接影响着水下航行器的声学性能及人员的舒适安全性。因此，开展水下航行器复合材料上层建筑声振特性的研究具有重要的理论价值和工程背景，本文以复合材料上层建筑声振特性作为研究目标，遵循理论分析与工程应用相结合的研究思路，开展水下航行器复合材料上层建筑声振特性的研究分析。
　　首先讨论适用于剪切变形理论的复合材料夹芯板力学性能计算分析方法，通过理论分析与算例验证，确定复合材料夹芯板的有限元建模方式，即采用壳单元分层建模方式进行复合材料夹芯板数值分析模型的建立。然后基于声固耦合有限元分析技术，进行结构水下辐射噪声数值分析，并开展加筋圆柱壳水下辐射噪声测试试验，验证声固耦合有限元法的有效性，为水下航行器复合材料上层建筑声振特性的研究奠定理论基础。
　　依托上述复合材料夹芯板分层建模技术，并结合结构网格划分要求与无限域流场截断技术，完成复合材料上层建筑数值计算分析模型的建立。基于声固耦合有限元分析法，分别从空气中振动特性、水下振动特性及水下辐射噪声特性三个方面，进行钢质材料、声学材料及复合材料上层建筑壳板结构振动声辐射特性的对比分析。研究发现:上层建筑结构采用复合材料后，有利于改善水下航行器结构振动声辐射性能。
　　在上述分析结果的基础上，本文继续采用声固耦合有限元分析法，通过改变壳板厚度、连接结构厚度、普通加强筋等结构参数，对复合材料上层建筑水下振动声辐射特性随之变化的规律进行探索分析。同时，指导复合材料上层建筑结构声学性能优化方案的提出和甄选，完成复合材料上层建筑水下振动声辐射特性的优化设计，为水下航行器复合材料上层建筑的理论研究和工程应用提供参考。
　　最后本文对上层建筑壳板与舱段主体间的螺栓连接问题进行研究，采用梁单元和MPC约束的方式进行螺栓连接方式的模拟，并结合工程实际中的螺栓松动等问题，开展螺栓尺寸、螺栓间距等参数对复合材料上层建筑水下声振特性的影响研究，为解决工程实际问题提供新思路。
　　本文通过理论分析、数值计算及试验测试等手段，对声固耦合有限元分析法的有效性进行验证，同时采用壳单元分层建模的方式进行复合材料夹芯板的模型建立，开展了水下航行器复合材料上层建筑声振特性的计算分析，并探索了壳板厚度、连接结构厚度、普通加强筋等结构参数对复合材料上层建筑水下声振特性的影响规律，指导复合材料上层建筑结构声学性能优化方案的设计和甄选。同时，讨论了螺栓连接参数对复合材料上层建筑水下声振特性的影响分析，为水下航行器复合材料上层建筑的理论研究和工程应用提供参考。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2研究背景及意义

1．3国内外研究现状

1．3．1复合材料在水下航行器中的应用

1．3．2水下航行器结构振动声辐射研究现状

1．3．3复合材料结构振动声辐射特性研究现状

1．4主要研究内容

第2章复合材料夹芯板水下振动声辐射计算方法研究

2．1引言

2．2复合材料夹芯板的建模方法研究

2．2．1剪切变形理论

2．2．2复合材料夹芯板的有限元建模方式

2．2．3算例验证

2．3声固耦合有限元分析理论基础

2．3．1理论背景

2．3．2声固耦合有限元分析技术

2．4声固耦合有限元分析法的有效性验证

2．4．1加筋圆柱壳水下辐射噪声测试试验

2．4．2声固耦合有限元分析法的有效性验证

2．5本章小结

第3章复合材料上层建筑结构振动声辐射特性研究

3．1引言

3．2复合材料上层建筑结构振动声辐射计算分析模型

3．2．1模型基本参数

3．2．2数值分析模型的建立

3．3复合材料上层建筑结构振动声辐射特性研究

3．3．1空气中振动特性分析

3．3．2水下振动特性分析

3．3．3水下辐射噪声特性分析

3．4本章小结

第4章复合材料上层建筑水下声振特性优化设计研究

4．1壳板厚度参数对水下声振特性的影响研究

4．1．1面层厚度参数

4．1．2芯层厚度参数

4．2连接结构参数对水下声振特性的影响研究

4．2．1连接壳板厚度参数

4．2．2连接板条厚度参数

4．3普通加强筋对水下声振特性的影响研究

4．3．1结构水下振动特性研究

4．3．2结构水下辐射噪声特性研究

4．4多方案复合材料上层建筑水下声振特性研究

4．5小结

第5章螺栓连接对结构水下声振特性的影响研究

5．1引言

5．2螺栓连接模拟方法

5．2．1带螺纹的实体螺栓连接

5．2．2不带螺纹的实体螺栓连接

5．2．3梁单元和MPC约束的螺栓模拟连接

5．3螺栓连接参数对结构水下声振特性的影响研究

5．3．1螺栓尺寸

5．3．2螺栓间距

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢