螺旋桨激振力引起的船体结构振动及水下辐射噪声特性研究

摘要

船舶正常航行时，由于非均匀伴流场影响，螺旋桨会受到不同形式的脉动激振力的作用。此类螺旋桨激振力可经由轴系传递到船舶壳体结构上，激起船体结构振动并向水下辐射噪声，进而对船舶功能性、安全性和居住性产生影响，其水下辐射噪声的低频性更会对很多海洋生物产生影响。然而目前针对水面船舶结构的研究多围绕军用舰船、主机激励下的船体振动噪声、螺旋桨水动力噪声及船体舱室噪声等方面开展，因此，针对螺旋桨激振力引起的船体结构振动及水下辐射噪声的问题进行研究，具有一定的创新性，对水面船舶结构的减振降噪工作也有重要参考意义。
　　本文以某50000DWT散货轮为研究对象，研究不同形式螺旋桨激振力引起的船体结构振动及其水下辐射噪声特性，同时分析轴系校中状态和船体变形对其的影响规律，并针对有限域内的船体辐射噪声计算进行探讨。最后设计搭建试验模型，验证结构振动特性及分析方法的正确性。分述如下：
　　基于选取的研究对象，建立其完整的船体计算模型。通过在螺旋桨端施加不同形式的激振力，利用振动功率流的方法对其经由轴系的传递特性进行研究，获取不同轴承位置对振动能量传递的贡献规律；利用有限元方法分析船体结构不同方向振动对激振力的敏感度、结构振动沿船长方向的分布特性及不同形式激振力对结构振动响应的贡献度；在此基础上，利用边界元方法分析在不同空间平面内的船体结构水下近场和远场辐射噪声分布特性，并对不同形式螺旋桨激振力引起的结果水下辐射声功率级进行比较。
　　分别计算轴系直线校中和合理校中状态下，不同螺旋桨激振力经由轴系各轴承位置的传递特性，在此基础上，利用有限元/边界元方法研究不同轴系校中状态下船体结构振动及其水下辐射噪声的差异。同时，计入空船静水状态下的船体变形，从振动功率传递的角度分析此时激振力传递特性的变化，同样利用有限元/边界元方法研究船体变形对船体结构振动及其水下辐射噪声的影响规律。
　　考虑船舶实际航行环境，根据不同地域、不同深度下的水底沉积层的声学特性，定义具有不同边界条件的有限流域。结合船体实际振动情况，提取其表面法向振速，利用边界元方法计算船体在不同有限流域中的场点水下辐射声压级，通过对比分析，探讨不同水底沉积层对螺旋桨激振力引起的船体结构水下辐射噪声的影响规律。
　　设计并搭建轴系-船体结构耦合振动试验台架，保证此台架可获取各轴承位置的传递力及壳体关注点的振动响应。通过对试验台架进行自由边界条件下的结构模态试验，并将试验结果与基于船模试验件有限元模型的数值计算结果进行比较，验证试验模型的正确性。此外，在试验件螺旋桨端分别施加不同形式的激振力，进行结构振动响应试验，通过分析各轴承位置的传递力及参考点处的振动响应，从试验角度研究不同形式螺旋桨激振力经由轴系的传递特性和船体结构的振动特性；通过对比试验结果和数值计算结果，验证文章关于船体结构振动的数值计算方法的合理性。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 目前研究存在的问题

1.4 本文的主要研究工作

第2章 船体结构振动及水下声辐射相关理论基础

2.1 引言

2.2 螺旋桨激振力[12]

2.3 振动功率流的基本理论

2.4 船体结构振动及水下辐射噪声计算

2.5 本章小结

第3章 船体结构振动及水下辐射噪声特性分析

3.1 引言

3.2 带有推进轴系的船体结构建模研究

3.3 船舶结构振动特性分析

3.4 船舶结构水下声辐射特性分析

3.5 本章小结

第4章 船体结构振动噪声影响因素分析

4.1 引言

4.2 船舶轴系校中状态

4.3 船体变形

4.4 本章小结

第5章 水底沉积层对船体水下辐射噪声的影响探讨

5.1 引言

5.2 水底沉积层简述

5.3 水底沉积层对船体水下辐射噪声的影响

5.4 本章小结

第6章 螺旋桨激励引起的船体结构振动试验研究

6.1 引言

6.2 试验台架设计

6.3 试验方案设计

6.4 结构模态试验结果分析

6.5 结构振动响应试验结果分析

6.6 结构振动响应试验结果与数值计算结果对比

6.7 本章小结

结论

创新点及展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢