隔振系统有限元建模和参数优化方法研究

摘要

在现代反潜、海洋水文和资源勘探测量中，拖曳线列阵声纳得到了越来越广泛的应用和发展。在拖曳线列阵声纳研制中，抑制流噪声是一个关键的因素。在声阵模块前、后插入性能优良的隔振模块，尽可能衰减振动，是抑制流噪声的有效途径。目前，国内外关于拖曳线列阵系统的大量研究都是通过实验测量得出的。实验不但费时费力，经费昂贵，而且实验的条件不一定与实际海洋工况相一致，所以得出的结果与真实情况就有差距。因此如果能够建立隔振模块的数学模型，准确计算和预报其隔振性能，并进一步实现优化，对于设计和制造性能优良的拖曳线列阵隔振模块，从而更好地抑制流噪声就具有特别重要的意义。 本论文采用有限元法，根据拖曳线列阵隔振模块的实际结构和性能特点，建立了一个更为准确的拖曳线列阵隔振模块的隔振性能计算模型。该模型不仅能够考虑护套—内部充油之间的耦合作用，同时还能够考虑隔振模块长度、护套材料的性能、尼龙绳材料的性能、护套的厚度、内部隔振组件的长度和间距以及激励频率和两端拉力等因素对隔振模块性能的影响，并基于参数化设计语言和改进的遗传算法进行优化设计，以满足拖曳线列阵，特别是细线阵，为降低流噪声所提出的对隔振模块的要求，从而解决因流噪声恶化而带来的细线阵设计瓶颈。 本文的主要内容包括以下几方面： 第一，根据拖曳线列阵隔振模块的实际结构和性能特点，利用有限元软件ANSYS 建立了24m和8m的 拖曳线列阵隔振模块湿模态流固耦合有限元模型。在此基础上，进行了静力分析、模态分析和谐响应分析，研究了拖曳线列阵隔振模块的隔振性能。 第二，建立了8m 拖曳线列阵隔振模块的流固耦合模型参数化模型，在此基础上分析隔振模块主要参数对隔振性能的影响。 第三，在对智能化的遗传算法原理和特点掌握的基础上，针对遗传算法中存在的不足，提出自适应伪并行改进遗传算法。 第四，通过APDL语言实现ANSYS的二次开发，建立了两种长度隔振模块简化的平面模型的参数化分析文件，在此基础上将有限元法和自适应伪并行改进遗传算法结合起来，利用APDL语言编写的伪并行改进遗传算法实现拖曳线列阵隔振模块系统的参数优化设计。通过与实验结果的比较，证明了本文提出和采用的方法可行，分析结果可靠。采用有限元方法能定性地预报拖曳线列阵隔振模块的隔振性能变化规律，有效地提高拖曳线列阵隔振模块隔振性能设计计算的效率，较大程度地降低设计费用。 本文各章内容相互关联，通过数值建模计算研究，较全面地分析了流固耦合模型的隔振性能，并结合遗传算法对平面模型进行拖曳线列阵隔振模块的参数优化设计，从而在拖曳线列阵隔振模块隔振性能和隔振模块参数优化设计方面得到了一系列具有工程应用价值的结论，对拖曳线列阵隔振模块的设计具有一定的指导意义。