水下大型結構振動聲輻射快速預報研究.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，是影響聲隱身性能的主要因素。對水下結構的振動與聲輻射進行預報，是減振降噪、聲學優(yōu)化設計的重要依據(jù)。因此，在保證預報準確性的同時，提高水下大型結構的預報計算效率，對潛艇聲隱身技術的發(fā)展具有重要意義。
　　本文以實現(xiàn)水下結構聲輻射的快速預報為主要研究內容，針對經典聲學邊界元法在存在的特征頻率處矩陣奇異的問題，提出了相應的改進方法；針對邊界元法計算量和內存占用量大的問題，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)結構振動的頻域方程與聲輻射預報的邊界元法，推導了自由場中結構振動聲輻射的有限元-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，使求解效率得到提高。將有限元-邊界元法應用于水

3、下典型球殼與圓柱殼的聲輻射預報中，通過將計算結果與理論解、SYSNOISE軟件計算結果對比，驗證了方法的有效性，詳細分析了改進CHIEF方法對計算效率的影響。
　　針對自由場中的聲輻射預報問題，研究了一種基于自適應交叉近似（ACA）技術的快速邊界元方法，結合 SVD重壓縮技術，在降低邊界元矩陣內存占用量的同時提高了邊界元矩陣與向量相乘的速度，實現(xiàn)了相應的迭代求解器，解決了傳統(tǒng)邊界元法計算量、內存占用量巨大的問題。針對實際應用中可能

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參數(shù)進行了分析。結果表明：ACA邊界元法的計算復雜度和空間復雜度約為O(NlogN)，而采用PCA方法可以進一步改進矩陣的壓縮率，結合本文提出的迭代求解算法可實現(xiàn)對自由場聲輻射的快速預報。
　　針對有限元-邊界元耦合矩陣中各個子塊數(shù)值特性不同、譜分布特性難以估計的問題，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上，研究了基于Schur補的非重疊區(qū)域分解算法和Dirichlet-Neumann型重疊區(qū)域分解算法。本文針對工程應用中可能影響求解器性能的幾何參數(shù)、網格規(guī)模等因素，通過數(shù)值仿真進行了研究。結果表明：利用Schur補在條件數(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，尚不能應用于振動聲輻射預報的有限元-邊界元計算中。
　　最后，對水下