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原文传递纵向激励下桨-轴-艇耦合模型声振响应半解析计算方法及特性研究

论文题名：	纵向激励下桨-轴-艇耦合模型声振响应半解析计算方法及特性研究
关键词：	潜艇;螺旋桨;桨-轴-艇耦合模型;纵向激励;声振特性
摘要：	螺旋桨纵向激励作为潜艇低速巡航状态下的一种主要激励源，对潜艇的隐身性能有着重大威胁。目前，相关理论方法研究主要集中于单舱段的圆柱壳、圆锥壳或球壳，而实际艇体一般由艉部加筋圆锥壳、舯部多舱段加筋圆柱壳、艏部开口球壳等组成。此外，螺旋桨纵向激励下艇体的振动响应为整艇的纵向振动和弯曲振动，因此采用单舱段模型无法准确对艇体声振特性进行预报。尽管有限元、边界元等数值方法可用于分析这类问题，并且有成熟的商业软件ANSYS、Virtual.Lab等可直接采用，但这些数值方法存在计算时间长、存储要求高、机理分析困难等问题。在此背景下，建立一种理论方法实现纵向激励下桨-轴-艇耦合模型声振响应快速预报具有重要的理论价值和军事意义。　　首先，提出了一种加筋旋转壳体声振响应半解析计算方法。该方法仅以结构轴对称性为限制条件，突破了一般理论方法仅针对特定边界条件和结构形式的不足。将任意形状的加筋旋转壳体沿轴向离散为多个壳体子结构和圆环板子结构，其中壳体子结构采用圆锥壳或圆柱壳近似。各子结构独立分析时，圆锥壳、圆柱壳和圆环板等子结构的位移函数分别用幂级数、波函数及Bessel函数展开。随后，根据相邻子结构间连续条件对所有子结构进行组装可得到加筋旋转壳体的振动控制方程。此外，针对矩形、L型或T型截面环肋，本文提出采用圆环板和圆柱壳子结构相组合的方法处理环肋，该方法可充分考虑环肋对壳体中面位移影响。当壳体浸没于流体中时，将轴对称结构快速边界元方法扩展应用于结构声固耦合处理，根据轴对称性将壳体表面声压和速度用Fourier级数展开，结合壳体位移函数与Fourier级数形式的表面速度，Helmholtz边界积方程可简化为沿母线方向的一维积分，采用3节点等参单元离散后可建立壳体位移函数与表面声压间的关系，通过在子结构间连续条件中引入流体声压进行修正，即可得到流体中加筋旋转壳体声振响应控制方程。由于此方法在控制方程建立中仅以壳体轴对称特性为限制条件，因此具有更广泛的应用范围；并且不涉及流体中复波数求解，计算效率显著提高；环肋处理方法能准确考虑加筋旋转壳体高阶振动。此外，以加筋圆锥壳、加圆柱壳和球壳为研究对象的一系列结果表明该方法具有收敛速度快、计算精度高等特点。　　根据已建立的加筋旋转壳体声振响应预报方法，以柱-柱、锥-锥、加筋锥-柱等三种形式的锥-柱组合壳为研究对象，对本文方法计算精度进行详细讨论，并对边界条件、不连续性条件等参数的影响进行了分析。随后，从环肋、舱壁、激励力及不同模态贡献量等方面重点研究了加筋锥-柱-球组合壳声振特性，为后续桨-轴-艇耦合模型声振特性分析奠定了一定基础。　　针对螺旋桨纵向激励下桨-轴-艇耦合模型声振响应，提出了一种快速半解析预报方法，克服了一般理论研究中以圆柱壳模拟艇体的不足，而采用与实际艇体结构形式更为相近的加筋锥-柱-球组合壳模型。以加筋旋转壳体声振响应控制方程为基础，分别采用集中质量、杆、弹簧-阻尼-质量系统及Timoshenko梁模拟螺旋桨、轴系、推力轴承及推力轴承基座，结合不同子结构间的连续条件，即可建立桨-轴-艇耦合模型声振控制方程。在完成预报方法正确性验证后，详细研究了艇体模型截断对艇体声振特性的影响及桨-轴系统与艇体的耦合特性。　　以提出的桨-轴-艇耦合模型振动及声辐射快速预报方法为基础，从纵向力传递途径着手，通过改变推力轴承基座形式、在推力轴承与基座间插入纵向减振器和共振转换器RC等减振设备，对纵向激励下桨-轴-艇耦合模型声振响应的控制措施进行初步研究，并对三种不同减振措施中的相关参数的影响进行分析。　　最后，以两端由端板密封的加筋圆锥壳、加筋圆柱壳为试验模型，开展加筋旋转壳体水下声振试验。通过对比分析本文方法预报结果及试验测试结果，进一步验证了本文提出的加筋旋转壳体声振响应半解析计算方法的正确性。此外，对比分析了横向、纵向两种激励下加筋旋转壳体声振特性的差异，二者间相对规律与本文方法分析组合壳的结果一致。
作者：	谢坤
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	解德
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文