水下大型结构振动声辐射快速预报研究

摘要

潜艇辐射噪声是衡量其生存能力和作战性能的重要指标，是影响声隐身性能的主要因素。对水下结构的振动与声辐射进行预报，是减振降噪、声学优化设计的重要依据。因此，在保证预报准确性的同时，提高水下大型结构的预报计算效率，对潜艇声隐身技术的发展具有重要意义。
　　本文以实现水下结构声辐射的快速预报为主要研究内容，针对经典声学边界元法在存在的特征频率处矩阵奇异的问题，提出了相应的改进方法；针对边界元法计算量和内存占用量大的问题，从近似的角度出发，提出了压缩边界元矩阵、提高求解速度的方法；针对有限元-边界元耦合矩阵数值特性复杂、求解困难的问题，提出了基于区域分解思想的快速求解方法。
　　首先根据结构振动的频域方程与声辐射预报的边界元法，推导了自由场中结构振动声辐射的有限元-边界元方程。针对边界元法在特定频率下出现矩阵奇异的问题，提出了改进的CHIEF方法。该方法不仅解决了矩阵奇异问题，还克服了CHIEF方法形成超定方程的缺点，使求解效率得到提高。将有限元-边界元法应用于水下典型球壳与圆柱壳的声辐射预报中，通过将计算结果与理论解、SYSNOISE软件计算结果对比，验证了方法的有效性，详细分析了改进CHIEF方法对计算效率的影响。
　　针对自由场中的声辐射预报问题，研究了一种基于自适应交叉近似（ACA）技术的快速边界元方法，结合 SVD重压缩技术，在降低边界元矩阵内存占用量的同时提高了边界元矩阵与向量相乘的速度，实现了相应的迭代求解器，解决了传统边界元法计算量、内存占用量巨大的问题。针对实际应用中可能存在的任意长宽比模型，采用基于主成分分析（PCA）的求解域分割方法。通过数值仿真对可能影响近似精度和矩阵压缩率的各个参数进行了分析。结果表明：ACA边界元法的计算复杂度和空间复杂度约为O(NlogN)，而采用PCA方法可以进一步改进矩阵的压缩率，结合本文提出的迭代求解算法可实现对自由场声辐射的快速预报。
　　针对有限元-边界元耦合矩阵中各个子块数值特性不同、谱分布特性难以估计的问题，以及ACA边界元法带来的矩阵形式变化，本文在传统迭代求解方法的基础上，研究了基于Schur补的非重叠区域分解算法和Dirichlet-Neumann型重叠区域分解算法。本文针对工程应用中可能影响求解器性能的几何参数、网格规模等因素，通过数值仿真进行了研究。结果表明：利用Schur补在条件数方面的优势，可以显著改善迭代求解器的稳定性和适用范围，而Dirichlet-Neumann型求解器由于松弛因子理论的不完善，尚不能应用于振动声辐射预报的有限元-边界元计算中。
　　最后，对水下双层圆柱壳体的受激振动与声辐射进行了试验研究，进一步验证了本文计算方法的有效性和可行性。首先建立有限元模型，数值仿真研究了模型在水下辐射声场随距离的衰减规律，确定最小测量距离。试验采用宽频脉冲激励源，利用实测壳体振速分布反演激励幅值作为数值仿真的输入参数。结果显示，本文的方法能够有效的对水下结构的振动声辐射进行预报，同时计算效率稳定，具有一定的工程应用价值。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第 1 章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 结构振动声辐射预报的数值方法概述

1.3 论文主要研究内容

第 2 章 水下声辐射预报的有限元-边界元法

2.1 引言

2.2 结构振动-声辐射控制方程

2.3 边界元矩阵奇异性问题

2.4 计算程序设计

2.5 数值仿真与结果分析

2.6 本章小结

第 3 章 基于自适应交叉近似的声辐射快速预报

3.1 引言

3.2 自适应交叉近似理论

3.3 ACA 边界元法

3.4 基于 ACA 边界元法的声辐射快速预报

3.5 本章小结

第 4 章 有限元-ACA 边界元法的快速求解

4.1 引言

4.2 全局迭代方法

4.3 非重叠型区域分解算法

4.4 重叠型区域分解算法

4.5 数值仿真与分析

4.6 本章小结

第 5 章 水下大型壳体声辐射预报试验研究

5.1 引言

5.2 试验原理与方案

5.3 数值仿真与试验数据处理

5.4 仿真与试验数据分析

5.5 本章小结

结 论

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