舰艇动力装置的运动仿真与声学特性预报

摘要

动力装置的振动是舰艇的辐射噪声与自噪声的重要来源，也是影响舰艇的生命力与作战能力的重要指标。因此，从声隐身的角度，对舰艇动力装置振动的研究及控制是海军装备研制中的一项重要内容。 摆盘发动机是舰艇动力装置的一种型式，它可用于鱼雷、特种深潜器以及海军新型装备的动力装置。由于其功率传动机构为空间连杆机构，具有许多传统的平面曲柄连杆机构所不及的优点，众多的鱼雷及水下航行器将其作为动力装置。以往对舰艇发动机的研制工作基于传统的解析方法，对于摆盘机这类复杂的发动机结构方案的确定，往往难以胜任，从而导致研制周期长，发动机性能的提高受到制约。采用仿真技术，通过虚拟样机的设计，探讨发动机在各种工况下的合理的结构方案，已经成为海军装备研制的新途径。 本论文以舰艇摆盘动力装置的参数化设计、运动仿真、振动与噪声预报为研究内容，通过建立摆盘动力装置的虚拟样机以及进行发动机的运动学与动力学的仿真分析，研究不同结构方案时的发动机的激励特性，探索减小动力装置振动的途径；在此基础上，采用有限元和边界元相结合的方法，研究舰艇的声辐射特性，实现机械噪声特性的预报。本论文的主要工作内容和计算分析结果如下： 1) 建立摆盘发动机及其主要运动部件的三维实体模型，对发动机部件实现参数化设计，得到多方案的模拟物理样机。在参数化设计中，设定的可变参数包括气缸分布圆直径、连杆的长度和摆盘后球心分布圆直径。在保持摆盘的倾角和摆盘与气缸体的中心距不变的情况下，当气缸分布圆直径变化时，摆盘后球心分布圆直径随之变化，连杆的长度被动的随之变化。此外，利用软件的装配功能，建立了一个包括摆盘动力装置、辅机和推进器等在内的舰艇三维模型。 2) 利用参数化设计的结果，对不同结构参数的舰艇摆盘动力装置方案进行运动仿真，得到各部件的位移、速度、加速度以及受力等运动学与动力学参数；建立摆盘动力装置在隔振条件下的虚拟样机，仿真得到发动机的运动特性以及通过隔振装置对舰艇壳体结构的激励特性。这些结果为发动机结构的改进以及估计舰艇的水下噪声提供了依据。 通过仿真可知，虽然摆盘发动机各部件的运动学和动力学特性不会因为不同的隔振支承方案或者不同的隔振支承刚度而改变，但是，发动机传递到舰艇外壳的振动能量会随着支承刚度的提高而增大，仿真的结果揭示了内在的规律。 对摆盘发动机来说，增大气缸分布圆直径可以提高发动机的功率，但增大分布圆直径的主要困难是受到舰艇壳体对发动机轮廓尺寸的限制。加大连杆后球心分布圆直径有利于发动机功率的提高，但是会使活塞与连杆的机械负荷增大。因此，应合理地增大气缸分布圆的直径以提高发动机的功率。 3)基于舰艇摆盘动力装置的参数化结构设计方案，论文建立了有限元分析模型，并且将仿真得到的激励特性参数作为有限元模型的边界条件进行加载；在此基础上，研究了摆盘动力装置的振动沿隔振装置向壳体传递的特性。此外，论文还利用有限元与边界元方法，将计算得到的舰艇壳体的振动作为声学计算的边界条件，实现特定条件下的舰艇机械噪声的预报。 通过舰艇结构的振动传递率分析，隔振效果较差的几个波峰是由舰艇系统的固有特性引起的；离振源越远，传递率也就越小。舰艇结构的声辐射特性与振动结构的形状、模态振型和模态频率有很大的关系。因此，在舰艇的降噪中，要针对结构的固有振动特性采取必要的措施。 综上所述，论文以舰艇的振动源为对象，探索了舰艇降噪的途径，利用虚拟样机技术，对摆盘动力装置这样一种复杂的机械结构进行了运动仿真与分析。从研究工作的意义上说，论文采用的方法既能大幅度降低发动机的研制成本，又能从全局上对摆盘发动机进行多方案的评估和优化，有利于缩短发动机的研制周期，以满足各种需求。 本文为具有复杂结构的发动机的研究提供了一种切实可行的方法，也为舰艇的减振降噪设计提供了参考。