详情

原文传递潜艇--艉轴动力学建模与振动噪声特性的研究

论文题名：	潜艇--艉轴动力学建模与振动噪声特性的研究
关键词：	潜艇;艉轴系统;振动噪声;声学响应;动力学平衡方程
摘要：	潜艇被称为海洋幽灵，因为其隐身性能强大往往能够在战争中攻其不备，达到意想不到的效果。而潜艇的隐身性能跟艇体振动所产生的声辐射密切相关，潜艇自身的辐射噪声也直接影响到整个潜艇的隐蔽性，所以提高潜艇的隐蔽性就要提高其减振降噪的能力。随着科技的进步，潜艇从设计方法、隐身性能等方面都有了巨大的提升，各国也积极适应潜艇的发展需求，大力发展潜艇相关的科学技术。本文从仿真与实验两个角度对含有五叶螺旋桨、艉轴、轴承和艇体的潜艇模型的振动与声辐射问题进行了研究，探讨了不同方向的激振力对整个系统的动力学与声学响应的影响，主要研究内容包括: 　　首先，通过动力学平衡方程对潜艇-艉轴系统进行建模，考虑了螺旋桨在实际工作中产生的横向激振力与垂向激振力对整个系统的影响，利用Newmark-β方法对动力学平衡方程进行求解，进而使用Matlab软件对已求解的数据进行处理，运用频谱图、三维瀑布图、轴心轨迹图、Poincare截面图等方法来分析潜艇-艉轴系统中螺旋桨处节点的振动响应情况，并分析了不同转速下，潜艇-艉轴系统的响应情况。研究发现相比垂向激振力，横向激振力可以引起更加复杂的频率成分，在频谱图中的桨叶倍频与桨叶叶频的频率成分主要是由横向激振力所引起。　　其次，为了分析潜艇-艉轴系统的声学特性，本文建立了潜艇-艉轴系统的声学模型，其建模过程如下:(1)在ANSYS中建立了潜艇-艉轴系统的有限元模型，模型中艉轴与艇体通过弹簧单元来连接，给出了螺旋桨、轴、潜艇壳体的具体建模参数并对模型进行了模态分析。(2)在螺旋桨处施加横向激励和垂向激励，求解得到节点振动速度。(3)将节点振动速度作为边界条件导入到声学软件LMSvirtual.lab中，同时将ANSYS中的网格模型导入到软件中去。(4)通过声学软件提取整个模型的表面网格并进行前处理，用声学边界元法求解出系统的声学响应，得出横向激振力与垂向激振力对潜艇-艉轴系统的声辐射影响。　　最后，为了验证动力学与声学仿真的准确性，通过对潜艇-艉轴系统的真实结构形式进行合理的简化设计，搭建了潜艇-艉轴系统的振动噪声实验台。实验从动力学与声学两个方向入手，在动力学实验中，利用实验中测量得到的振动响应数据与动力学的仿真结果相比较，结果表明二者具有很好的相似性，实验与仿真都表征出桨叶基频、桨叶倍频和桨叶叶频三种主要的频率成分，在一定程度上说明了仿真的正确性。通过对潜艇-艉轴实验台进行声学实验的测试，将实验测得的声压级曲线与仿真结果相比较，发现实验中声压级曲线的整体趋势与仿真中的声压级曲线相似，而且声压级的峰值所在的频率处与仿真相近，考虑到加工误差、装配误差、焊接件的变形与背景噪声的影响，导致实验结果与仿真结果存在一定的误差，实验结果在一定程度上验证了仿真模型的准确性。
作者：	薛曾元
专业：	机械设计及理论
导师：	刘杨
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东北大学
学位年度：	2018