船舶结构噪声截断模型数值预报方法研究

摘要

为保障船舶具有良好的水下安静性，在船舶设计及建造阶段开展船舶结构水下噪声特性预报评估，及时发现船舶结构噪声设计存在的问题就变得十分重要；为此，国外海军强国投入大量人力物力开展船舶结构水下噪声预报、评估的相关研究，形成了船舶结构水下噪声预报评估的系列方法，如解析法、工程估算法、数值计算方法等。解析法适用于简单结构(如圆柱壳等)的水下噪声预报，当结构稍复杂时解析法将很难胜任；工程估算法可用于相似船型的水下噪声预报，但当预报船舶与母型船存在较大差异时，工程估算法将导致较大误差；数值计算方法，特别是有限元法、边界元法、FEM/BEM法、统计能量法数值计算方法的出现，为船舶结构水下噪声预报提供了丰富的研究手段，但由于船舶结构水下声辐射的复杂性，船舶结构噪声数值预报，特别是船舶结构水下中低频噪声预报仍存在诸多基础性、机理性问题需要解决。
　　 为此，本文首先对船舶结构水下噪声预报研究现状进行综述，系统阐述了船舶结构噪声预报技术发展概况，分析了船舶结构水下噪声预报存在的基础性问题及船舶结构噪声预报的难点。分析表明：由于船舶结构水下声辐射涉及流固声耦合、固液声气耦合等多种作用，其噪声预报异常困难，现有船舶结构噪声数值预报在船舶结构噪声数值分析方法、设备对船体的激励载荷计算方法、船舶结构噪声数值预报模型的简化方法等研究方面仍存在一定不足。针对上述问题，本文以船舶结构噪声数值预报工程需求为牵引，对船舶结构水下中低频噪声数值预报方法进行研究，重点讨论了船舶结构噪声数值预报的截断模型预报原理、设备对船体的激励载荷、船舶结构声学舱段截断模型的简化、船舶结构噪声分析的时频综合预报法及无限元法等基础性问题；在此基础上，初步形成了船舶结构噪声截断模型预报的系统化方法，并结合水面船舶及水下航行器噪声预报实际，探索了船舶结构噪声截断模型预报方法的可行性，初步分析了水面船舶及水下航行器结构的水下声辐射特性，旨在为船舶结构噪声定量预报及相关研究提供方法依据。
　　 针对船舶结构噪声预报存在计算规模大、求解效率低、预报频段窄等弊端，从链式结构动力学原理出发，提出船舶结构动力分析的截断模型方法，简化船舶结构的建模工作；结合结构噪声预报原理，给出船舶结构噪声预报的流场截断方法；在此基础上，提出船舶结构噪声截断模型的数值计算方法，以减小船舶结构噪声预报的计算规模，提高其求解效率及预报频率；舱段结构水下辐射噪射预报算例表明：模型截断预报方法可有效降低船舶结构噪声预报的计算规模，避免因设备建模等因素导致的数值计算误差，提高船舶结构噪声数值预报的频率，特别是在含有大量设备的船舶结构水下中低频噪声预报方面具有较大应用潜力，截断模型计算方法可有效降低船舶结构噪声预报的计算规模、提高其预报频率及求解效率。
　　 针对船舶结构噪声预报的输入-设备激励载荷-进行研究，重点分析了设备对船体激励载荷的计算方法。基于设备内源特性不变及参数识别理论，提出设备内源特性台架试验识别方法，由此建立设备台架试验到实船设备激励载荷的转换方法；基于设备与船体结构耦合振动机理，提出设备对船体结构激励力的简便计算方法；基于力边界与运动边界的统一性原理，提出运动边界相似法，解决设备激励载荷为振动加速度级形式不易在数值计算中施加的困难，并经算例验证，证明了运动边界相似法的有效性，解决船舶结构噪声截断模型预报的载荷输入问题。
　　 在船舶结构噪声预报模型简化方面，基于结构动力分析及声辐射理论，提出以局部舱段模型代替整船模型进行船舶结构噪声预报的船舶结构噪声舱段截断模型方法-行波法，并对其适用条件进行分析，实现了船舶结构噪声截断模型预报的进一步简化；通过圆板结构水下声辐射截断模型，验证了船舶结构噪声舱段截断模型方法的有效性，解决了以局部舱段代替整船模型进行船舶结构噪声预报的困难。
　　 针对现有船舶结构噪声预报存在求解效率低、无法考虑非线性因素、不能计及船舶结构低频振动与高频波动耦合影响因素的困难，提出船舶结构噪声预报的时频综合预报法，并进行相应的数值验证；研究表明：时频综合预报法不仅可解决现有船舶结构噪声预报存在的上述困难，还可针对关心频点噪声进行详细分析，以确定关心频点船舶结构噪声主导传递分量及主导传递途径，可为船舶结构噪声预报、评估及噪声治理提供快速支持。针对船舶结构噪声预报模型外流场域截断及域外远场声辐射存在的问题，提出声学无限元法应用于船舶结构噪声预报模型，以降低模型计算规模、提高其计算精度，实现域外远场声辐射的快速预报。
　　 最后，在前述研究基础上，归纳总结，初步形成船舶结构噪声截断模型预报的系统化方法，规范船舶结构噪声截断模型预报流程；并结合水面船舶及水下航行器结构噪声预报实际，给出船舶结构噪声截断模型预报方法实际应用的具体方法、流程，对水面船舶及水下航行器结构水下声辐射特性进行初步分析，旨在为船舶结构噪声截断模型预报方法工程应用提供分析依据。