桨-轴-艇耦合系统声、振特性及被动控制方法研究

摘要

潜艇声隐身特性关乎潜艇的安全和作战性能。螺旋桨、轴系和艇体作为潜艇的主要组成部分，对潜艇振动和声辐射特性起着决定性作用。本文针对螺旋桨-轴系-艇体耦合系统开展理论仿真与实验研究，研究了内部质量、龙骨、隔舱壁等艇体离散结构对艇体声辐射的影响，此外还研究了螺旋桨-轴系-艇体耦合系统声、振特性以及相应的被动控制方法，主要研究内容包括：
　　(1)通过耦合有限元/边界元方法建立一个水下加筋轴对称艇体模型，研究其在简谐力激励下和在简谐偶极子激励下的声辐射特性。采用面板声贡献量法研究了不同几何外形艏部舱段对艇体声辐射的影响，根据周向波数频率谱结果，揭示了艇体内部质量布置、纵向龙骨对艇体声辐射的影响规律，结合艇体表面均方振速、艇体声辐射效率分析了隔舱壁数目对艇体声学特性的影响。
　　(2)建立螺旋桨-轴系-艇体耦合系统模型，并分析其声、振特性。根据耦合系统声功率谱、艇体表面均方振速谱和轴系均方振速谱，研究轴系振动与艇体声辐射之间的关系。为了明确轴系振动对轴系-艇体耦合系统声辐射的影响，提出根据轴系有效模态质量占耦合系统百分比以确定轴系模态的方法，分析了轴系模态的声贡献量。计算结果表明艉轴承刚度对耦合系统动力学特性影响最大，并提出降低艉轴承刚度以降低耦合系统声辐射。分析了弹性螺旋桨对耦合系统声辐射的影响，指出在简谐激励下螺旋桨振动能量主要通过轴系传递至艇体，并利用等效缩聚法对螺旋桨振动进行简化。
　　(3)在对桨-轴-艇耦合系统声、振响应分析的基础上，提出对称式基座和加装轴系纵向隔振器两种控制方式。对称基座可以有效降低耦合系统声辐射，并引入模态声贡献量分析方法，分析了对称基座的降噪机理。分析结果表明轴系纵向隔振器安装在轴系与推力轴承之间控制效果最好，而且隔振器的设计应考虑轴系纵振共振区间和艇体纵振频率之间的关系。
　　(4)开展轴系-艇体耦合系统实验研究。实验分为空气中振动测试和水下振动与声辐射测试两部分，通过实验测试结果对数值计算结果进行了验证，此外还验证了对称基座对于轴系-艇体耦合系统声辐射的抑制效果。
　　本文针对螺旋桨-轴系-艇体耦合系统振动与声辐射特性开展了一系列理论与实验研究，明确了艇体内离散结构、轴系和螺旋桨对耦合系统的影响，提出若干控制方法，具有较高的工程应用价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及课题意义

1.2桨-轴-艇系统振动与声辐射研究进展

1.3目前研究存在的主要问题

1.4本文主要研究内容

第二章 水下复杂结构振动与声辐射数值建模方法

2.1引言

2.2数值计算方法介绍

2.3数值方法验证

2.4本章小结

第三章 水下艇体振动与声辐射

3.1引言

3.2对称艇体介绍

3.3对称艇体动力学、声学特性

3.4艏部舱段几何特征的影响

3.5非对称艇体振动与声辐射特性

3.6隔舱壁的影响

3.7本章小结

第四章 水下螺旋桨-轴系-艇体耦合系统振动与声辐射

4.1引言

4.2轴系-艇体耦合系统声、振特性

4.3螺旋桨-轴系-艇体耦合系统

4.4本章小结

第五章 耦合系统水下声辐射被动控制方法研究

5.1引言

5.2对称式基座

5.3纵向隔振器

5.4本章小结

第六章 轴系-艇体耦合模型振动与声辐射实验研究

6.1引言

6.2实验对象

6.3空气中振动测试

6.4水中振动与声学测试

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1全文工作总结

7.2研究创新点

7.3研究工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文与参与项目