方案設(shè)計階段艦艇結(jié)構(gòu)振動聲輻射模型分析與計算方法研究.pdf

1、艦艇是各國海軍的主要裝備，隱蔽性是決定其生存力和戰(zhàn)斗力的主要因素。隨著各海軍強國不斷提高其海、空探測設(shè)備的技術(shù)水平，艦艇自身的隱蔽性正遭受越來越大的挑戰(zhàn)。作為隱身性能指標(biāo)之一的輻射噪聲一方面會把艦艇自身暴露給敵方；另一方面會干擾艦艇的主動聲吶探測作業(yè)，艦艇聲隱身性能的軍事重要性越來越突出。因此，艦艇的聲隱身技術(shù)對保證艦艇生命力和戰(zhàn)斗力尤為重要，關(guān)于艦艇聲隱身的研究也成為一個熱點。
　　艦艇是在水中或水上航行的復(fù)雜彈性結(jié)構(gòu)體，不可避

2、免地受到多種激勵，從而誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動輻射聲能產(chǎn)生噪聲。艦艇的主要噪聲源包括機械噪聲（主機、輔機、各種電機、泵等），螺旋槳噪聲，水動力噪聲（艦艇航行時，水流與潛艇結(jié)構(gòu)表面等相互作用）等。艦艇一般是由梁、平板、殼等縱橫交叉，一定間距的構(gòu)件組成的三維細長體結(jié)構(gòu)，且設(shè)有縱、橫艙壁。同時艦艇結(jié)構(gòu)上的激勵源分布廣，頻譜范圍寬。船用機械設(shè)備和管路系統(tǒng)等通過基座等支撐件以及艙室空氣噪聲激勵船體，引起船體濕表面振動并向船外輻射噪聲。機械設(shè)備激勵產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振

3、動尤其在高頻時，以彈性波的方式從激勵源傳遞到艦艇結(jié)構(gòu)外濕表面需要一定的傳播時間，其主傳遞途徑為基座—艇體—流場。高速航行時，由于流場伴流作用螺旋槳葉片會產(chǎn)生非定常的力和力矩，進而引起軸系振動并向船體內(nèi)傳遞就形成了船體的結(jié)構(gòu)噪聲；作用在船體表面的湍流邊界層脈動壓力亦會激起船體振動，并產(chǎn)生輻射噪聲。
　　艦艇結(jié)構(gòu)的振動噪聲特性是一個經(jīng)典的聲--流--固耦合問題，一直是船舶與海洋工程領(lǐng)域的研究熱點問題。艦艇結(jié)構(gòu)的聲振機理研究涉及聲學(xué)、結(jié)

4、構(gòu)動力學(xué)、彈性力學(xué)、流體力學(xué)等理論，屬于多學(xué)科交叉領(lǐng)域的研究課題。本文從典型船體梁、板殼結(jié)構(gòu)入手，開展了艦艇典型結(jié)構(gòu)的頻散特性研究，并以Timoshenko梁為模型，分析了艦艇典型結(jié)構(gòu)中的彈性波傳遞特性。針對艦艇減振降噪工程領(lǐng)域的實際問題和艦艇結(jié)構(gòu)聲振分析的劃分依據(jù)，開展了一系列典型艦艇結(jié)構(gòu)的振動和聲輻射傳遞機理研究。
　　基于Timoshenko梁理論及彈性理論，以Timoshenko連續(xù)梁、板及箱型結(jié)構(gòu)為研究對象，探索了振動波

5、在結(jié)構(gòu)中的波傳播特性，同時根據(jù)頻率對艦艇結(jié)構(gòu)聲振特性和計算模型進行劃分。艦艇局部板架結(jié)構(gòu)和環(huán)頻率以上殼體結(jié)構(gòu)均可視為由縱橫加強筋、平板及阻尼層等構(gòu)件構(gòu)成的敷阻尼加筋板。以敷設(shè)阻尼層的有限長加筋板為分析模型，開展其振動與聲輻射特性研究，開展了相關(guān)的模型試驗，對敷設(shè)阻尼層的有限長加筋板的聲振特性進行測試。
　　艦艇典型的艙段結(jié)構(gòu)一般可近似為加筋圓柱殼結(jié)構(gòu)，針對任意邊界條件下的水下加筋圓柱殼計算模型，提出一種精細傳遞矩陣方法，開展加筋圓

6、柱殼的振動聲輻射特性研究。討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)、邊界條件、激勵力方向及流體介質(zhì)對圓柱殼聲振特性的影響。
　　盡管低噪聲設(shè)備、浮筏隔振等技術(shù)的應(yīng)用，使艦艇機械噪聲水平大為降低，但艦艇艉部的螺旋槳噪聲問題依然突出。以流場中加筋截頂圓錐殼為計算模型，進行截頂圓錐殼的振動聲輻射特性研究。討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)、激勵力方向、激勵力偏心、流體介質(zhì)及邊界條件等對加筋圓錐殼的聲振特性的影響，為潛艇艉部結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計提供理論支撐。
　　艦艇艉部結(jié)構(gòu)不但受到艇

7、外的螺旋槳通過艉軸、推力軸承傳遞的軸向力，還在艉部艙段布置有推進電機、海水泵等主要機械噪聲源，因此，內(nèi)部的機械振動、螺旋槳的誘導(dǎo)作用均會激勵艉部結(jié)構(gòu)輻射水下噪聲。以圓錐殼-圓柱殼組合結(jié)構(gòu)來模擬艉部結(jié)構(gòu)，利用精細傳遞矩陣法結(jié)合改進波疊加法，開展水下加筋圓錐殼-圓柱殼組合結(jié)構(gòu)的振動聲輻射特性研究。并討論了艙壁布置、激勵力方向、流體載荷、殼體剛度及阻尼對加筋圓錐殼-圓柱殼組合結(jié)構(gòu)的聲振特性的影響，為潛艇艉部結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計提供理論支撐。