方案设计阶段舰艇结构振动声辐射模型分析与计算方法研究

摘要

舰艇是各国海军的主要装备，隐蔽性是决定其生存力和战斗力的主要因素。随着各海军强国不断提高其海、空探测设备的技术水平，舰艇自身的隐蔽性正遭受越来越大的挑战。作为隐身性能指标之一的辐射噪声一方面会把舰艇自身暴露给敌方；另一方面会干扰舰艇的主动声呐探测作业，舰艇声隐身性能的军事重要性越来越突出。因此，舰艇的声隐身技术对保证舰艇生命力和战斗力尤为重要，关于舰艇声隐身的研究也成为一个热点。
　　舰艇是在水中或水上航行的复杂弹性结构体，不可避免地受到多种激励，从而诱发结构振动辐射声能产生噪声。舰艇的主要噪声源包括机械噪声（主机、辅机、各种电机、泵等），螺旋桨噪声，水动力噪声（舰艇航行时，水流与潜艇结构表面等相互作用）等。舰艇一般是由梁、平板、壳等纵横交叉，一定间距的构件组成的三维细长体结构，且设有纵、横舱壁。同时舰艇结构上的激励源分布广，频谱范围宽。船用机械设备和管路系统等通过基座等支撑件以及舱室空气噪声激励船体，引起船体湿表面振动并向船外辐射噪声。机械设备激励产生的结构振动尤其在高频时，以弹性波的方式从激励源传递到舰艇结构外湿表面需要一定的传播时间，其主传递途径为基座—艇体—流场。高速航行时，由于流场伴流作用螺旋桨叶片会产生非定常的力和力矩，进而引起轴系振动并向船体内传递就形成了船体的结构噪声；作用在船体表面的湍流边界层脉动压力亦会激起船体振动，并产生辐射噪声。
　　舰艇结构的振动噪声特性是一个经典的声--流--固耦合问题，一直是船舶与海洋工程领域的研究热点问题。舰艇结构的声振机理研究涉及声学、结构动力学、弹性力学、流体力学等理论，属于多学科交叉领域的研究课题。本文从典型船体梁、板壳结构入手，开展了舰艇典型结构的频散特性研究，并以Timoshenko梁为模型，分析了舰艇典型结构中的弹性波传递特性。针对舰艇减振降噪工程领域的实际问题和舰艇结构声振分析的划分依据，开展了一系列典型舰艇结构的振动和声辐射传递机理研究。
　　基于Timoshenko梁理论及弹性理论，以Timoshenko连续梁、板及箱型结构为研究对象，探索了振动波在结构中的波传播特性，同时根据频率对舰艇结构声振特性和计算模型进行划分。舰艇局部板架结构和环频率以上壳体结构均可视为由纵横加强筋、平板及阻尼层等构件构成的敷阻尼加筋板。以敷设阻尼层的有限长加筋板为分析模型，开展其振动与声辐射特性研究，开展了相关的模型试验，对敷设阻尼层的有限长加筋板的声振特性进行测试。
　　舰艇典型的舱段结构一般可近似为加筋圆柱壳结构，针对任意边界条件下的水下加筋圆柱壳计算模型，提出一种精细传递矩阵方法，开展加筋圆柱壳的振动声辐射特性研究。讨论了结构参数、边界条件、激励力方向及流体介质对圆柱壳声振特性的影响。
　　尽管低噪声设备、浮筏隔振等技术的应用，使舰艇机械噪声水平大为降低，但舰艇艉部的螺旋桨噪声问题依然突出。以流场中加筋截顶圆锥壳为计算模型，进行截顶圆锥壳的振动声辐射特性研究。讨论了结构参数、激励力方向、激励力偏心、流体介质及边界条件等对加筋圆锥壳的声振特性的影响，为潜艇艉部结构声学设计提供理论支撑。
　　舰艇艉部结构不但受到艇外的螺旋桨通过艉轴、推力轴承传递的轴向力，还在艉部舱段布置有推进电机、海水泵等主要机械噪声源，因此，内部的机械振动、螺旋桨的诱导作用均会激励艉部结构辐射水下噪声。以圆锥壳-圆柱壳组合结构来模拟艉部结构，利用精细传递矩阵法结合改进波叠加法，开展水下加筋圆锥壳-圆柱壳组合结构的振动声辐射特性研究。并讨论了舱壁布置、激励力方向、流体载荷、壳体刚度及阻尼对加筋圆锥壳-圆柱壳组合结构的声振特性的影响，为潜艇艉部结构声学设计提供理论支撑。
　　舰艇是一个噪声源分布广泛的三维细长体结构，螺旋桨噪声源作用在舰艇艉部结构，机械噪声源广泛分布在全船，舰艇首部还有声呐装置。不同航行态下，噪声源对舰艇辐射噪声的影响不同。将舰艇结构简化为水下加筋圆锥壳-圆柱壳-球壳组合结构，开展水下加筋圆锥壳-圆柱壳-球壳组合结构的声振传递机理研究，并讨论了模型截断、改变艉部刚度及厚度、加强筋、压载、舱壁等对加筋圆锥壳-圆柱壳-球壳组合结构的声振特性影响，并形成了一系列舰艇典型结构的声学分析方法。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 舰艇结构中的波动特性研究现状

1.3 舰艇结构中机械噪声预报方法的研究现状

1.4 国内外研究综述小结

1.5 本论文主要工作

第2章 舰艇声学计算模型中的波动特性

2.1 引言

2.2 船体梁、板壳的波动特性分析

2.3 舰艇结构的波动分析方法

2.4 舰艇计算频段划分及声学模型建立

2.5 本章小结

第3章 舰艇局部板架的声学计算方法研究

3.1 引言

3.2 敷设阻尼加筋板的理论模型

3.3数值计算

3.4有限长敷阻尼加筋板的试验

3.4 本章小结

第4章 舰艇中部舱段的声学计算方法研究

4.1引言

4.2加筋圆柱壳的传递矩阵

4.3 精细传递矩阵方法

4.4 数值计算

4.5 本章小结

第5章 舰艇艉部舱段的声学计算方法研究

5.1引言

5.2水下加筋圆锥壳的理论分析模型

5.3水下加筋圆锥壳的声振特性研究

5.4 本章小结

第6章 舰艇多舱段模型的声学计算方法研究

6.1 引言

6.2 水下加筋锥-柱组合壳的振动分析模型

6.3 水下加筋锥-柱组合壳的声辐射分析模型

6.4 辐射性能的表达

6.5 计算分析

6.6 本章小结

第7章 舰艇整艇结构的声学计算方法研究

7.1 引言

7.2 舰艇结构的振动分析模型

7.4 舰艇结构的声辐射分析模型

7.5 舰艇结构声辐射性能的表达

7.6 计算分析

7.7 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

附录A

附录B

附录C

附录D