水下大型結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射快速預(yù)報(bào)研究.pdf

1、潛艇輻射噪聲是衡量其生存能力和作戰(zhàn)性能的重要指標(biāo)，是影響聲隱身性能的主要因素。對水下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與聲輻射進(jìn)行預(yù)報(bào)，是減振降噪、聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。因此，在保證預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的同時(shí)，提高水下大型結(jié)構(gòu)的預(yù)報(bào)計(jì)算效率，對潛艇聲隱身技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
　　本文以實(shí)現(xiàn)水下結(jié)構(gòu)聲輻射的快速預(yù)報(bào)為主要研究內(nèi)容，針對經(jīng)典聲學(xué)邊界元法在存在的特征頻率處矩陣奇異的問題，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法；針對邊界元法計(jì)算量和內(nèi)存占用量大的問題，從近似的角度出發(fā)

2、，提出了壓縮邊界元矩陣、提高求解速度的方法；針對有限元-邊界元耦合矩陣數(shù)值特性復(fù)雜、求解困難的問題，提出了基于區(qū)域分解思想的快速求解方法。
　　首先根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻域方程與聲輻射預(yù)報(bào)的邊界元法，推導(dǎo)了自由場中結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射的有限元-邊界元方程。針對邊界元法在特定頻率下出現(xiàn)矩陣奇異的問題，提出了改進(jìn)的CHIEF方法。該方法不僅解決了矩陣奇異問題，還克服了CHIEF方法形成超定方程的缺點(diǎn)，使求解效率得到提高。將有限元-邊界元法應(yīng)用于水

3、下典型球殼與圓柱殼的聲輻射預(yù)報(bào)中，通過將計(jì)算結(jié)果與理論解、SYSNOISE軟件計(jì)算結(jié)果對比，驗(yàn)證了方法的有效性，詳細(xì)分析了改進(jìn)CHIEF方法對計(jì)算效率的影響。
　　針對自由場中的聲輻射預(yù)報(bào)問題，研究了一種基于自適應(yīng)交叉近似（ACA）技術(shù)的快速邊界元方法，結(jié)合 SVD重壓縮技術(shù)，在降低邊界元矩陣內(nèi)存占用量的同時(shí)提高了邊界元矩陣與向量相乘的速度，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的迭代求解器，解決了傳統(tǒng)邊界元法計(jì)算量、內(nèi)存占用量巨大的問題。針對實(shí)際應(yīng)用中可能

4、存在的任意長寬比模型，采用基于主成分分析（PCA）的求解域分割方法。通過數(shù)值仿真對可能影響近似精度和矩陣壓縮率的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：ACA邊界元法的計(jì)算復(fù)雜度和空間復(fù)雜度約為O(NlogN)，而采用PCA方法可以進(jìn)一步改進(jìn)矩陣的壓縮率，結(jié)合本文提出的迭代求解算法可實(shí)現(xiàn)對自由場聲輻射的快速預(yù)報(bào)。
　　針對有限元-邊界元耦合矩陣中各個(gè)子塊數(shù)值特性不同、譜分布特性難以估計(jì)的問題，以及ACA邊界元法帶來的矩陣形式變化，本文在傳統(tǒng)

5、迭代求解方法的基礎(chǔ)上，研究了基于Schur補(bǔ)的非重疊區(qū)域分解算法和Dirichlet-Neumann型重疊區(qū)域分解算法。本文針對工程應(yīng)用中可能影響求解器性能的幾何參數(shù)、網(wǎng)格規(guī)模等因素，通過數(shù)值仿真進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：利用Schur補(bǔ)在條件數(shù)方面的優(yōu)勢，可以顯著改善迭代求解器的穩(wěn)定性和適用范圍，而Dirichlet-Neumann型求解器由于松弛因子理論的不完善，尚不能應(yīng)用于振動(dòng)聲輻射預(yù)報(bào)的有限元-邊界元計(jì)算中。
　　最后，對水下