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原文传递基于解析子结构法的加筋锥-柱-球组合壳体耦合声振特性研究

论文题名：	基于解析子结构法的加筋锥-柱-球组合壳体耦合声振特性研究
关键词：	水下航行体;耦合声振特性;组合壳体;解析子结构法
摘要：	水下航行体振动辐射噪声预报是进行定量声学设计、减振降噪设计等工作的理论基础和重要依据。圆柱壳、圆锥壳、圆球壳及锥-柱-球、球-柱-球等组合壳体作为水下航行体的主要结构成分及简化模型,对其耦合声振特性进行研究是了解水下航行体振动声学性能的基础,同时也为水下航行体的结构声学设计提供一定的指导意义。本文基于壳体动力学理论及声场Helmholtz波动方程,建立了大分舱加筋圆柱壳、加筋圆锥壳、圆球壳及其组合壳体的耦合声振特性数理模型,提出了水下航行体耦合声振特性快速预报的解析子结构法,对水下航行体耦合声振特性进行了研究。　　针对带有框架肋骨的大分舱加筋圆柱壳体以及带有舱壁的小分舱圆柱壳体,为了解决框架肋骨及舱壁的存在引起的加筋不均匀和壳体不连续的难题,所有的加筋、框架肋骨和舱壁都被当成离散单元进行处理。根据结构类型的不同(圆柱壳、圆环板),将整个结构划分成不同的子结构,不同的子结构采用相应的动力学偏微分方程进行描述,整个加筋圆柱壳体被离散成包含有圆柱壳体、圆环板和舱壁板的不同子结构。在有限元理论中单元内部的场变量都是采用局部的、非精确的形函数进行逼近,通常情况下是多项式逼近。类比有限元理论,在解析子结构法中,不同的子结构采用不同的解析位移函数进行描述,这些位移函数能够精确满足相应动力学方程。圆柱壳体的位移采用八个波函数叠加的形式进行展开,圆环板及舱壁采用贝塞尔函数不同的组合叠加的形式进行展开,最后通过不同子结构之间的位移和力连续条件,结合圆柱壳体两端的边界条件进行大分舱加筋圆柱壳体固有频率及频响的求解。为了解决流体负载的存在引起的振动与声场之间的耦合问题,将振动场与声场分开进行求解,通过搜索水中圆柱壳体的复波数代替真空中圆柱壳体八个波函数中的复波数来考虑流体负载的影响,在求解得到结构表面的振动场之后采用单元辐射叠加法求解辐射声场。　　针对加筋圆锥壳体,整个结构被离散成圆锥壳体、圆环板的不同子结构。圆锥壳体的位移采用幂级数法进行展开,通过将圆锥壳体及圆环板的位移及内力统一在柱坐标下进行描述建立不同子结构之间的位移和力连续条件,结合圆锥壳体两端的边界条件进行加筋圆锥壳体固有频率和频响特性的求解。为了解决流体负载的存在引起的圆锥壳体复波数搜索困难的问题,将每段圆锥壳体子结构等效为圆柱壳体进行考虑,在求解得到圆锥壳体结构表面的振速场之后采用单元辐射叠加法求解声场。　　针对一端开口球壳,通过引入辅助函数将圆球壳体的五个运动方程简化为解耦的三个方程,方程的解写成贝塞尔函数叠加的形式进行描述,贝塞尔函数自变量的值通过求解与三个方程相对应的特征方程的根来求得,最后结合开口球壳的边界条件求解其固有频率和频响特性。流体负载的影响通过在壳体的运动方程右边引入辐射声压项来考虑,最终在求解特征方程时来体现。在求解得到壳体表面的振速分布后,采用单元辐射叠加法求解声场。　　最后,将以上三种壳体进行组合,并且统一在柱坐标下进行描述,利用不同壳体之间的连续条件结合边界条件求解包含有内部舱壁、框架肋骨的真空中和水下加筋锥-柱-球、球-柱-球组合壳体的固有频率及频响特性。利用单元辐射叠加法求解辐射声场。　　本文提出的解析子结构方法同有限元耦合有限元和有限元耦合边界元的方法进行对比验证了本文方法的正确性,同时对比说明了解析子结构法的优势。在此基础上对水下加筋锥-柱-球、球-柱-球的耦合声振特性进行了讨论。本文提出了一种新的水下航行体耦合声振特性快速预报方法,适用于任意边界条件的复杂水下航行体耦合声振特性的快速预报,为定量声学设计、减振降噪结构声学设计提供了理论依据。
作者：	魏建辉
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	侯国祥;陈美霞
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文