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原文传递舰艇结构的流激振动与声学特性研究

论文题名：	舰艇结构的流激振动与声学特性研究
关键词：	舰艇结构;流激振动;声学特性;有限元分析;湍流流场;潜艇
摘要：	舰艇结构的振动与水下声辐射是影响其生命力与战斗力的重要因素，隐身性能是海军装备研制中的一项重要指标。数十年来，各国针对海军舰艇的噪声控制，在噪声源的控制、噪声振动的传递途径控制以及噪声振动的响应特性控制等方面开展了深入的研究，并且在隔振、消声等方面取得了一系列的进展。国内的研究部门也针对舰船结构的振动和声学特性控制开展了大量的研究，以期大幅度地降低舰艇的水下噪声。然而，以往对舰艇结构的振动及声学预报的研究集中在舰艇的主要振动噪声源,重点在动力设备激励引起的机械振动噪声以及螺旋桨噪声方面。对于舰艇的非机械振动噪声以及由于湍流水动力引起的辐射噪声研究较少，尤其是舰艇在水下武器发射条件下的振动特性与声学预报方面，迄今未见与此相关的报道。因此，在这领域的研究工作急需深入进行。本文借助于有限元技术，首先建立武器发射过程中的发射管内外的流体动网格模型，对其流场特性以及水动力噪声特性进行分析；通过调整发射压力、发射深度等参数，探讨降低水动力噪声的途径；通过建立一个带发射管的潜艇及其外部流场模型，考虑流固耦合作用，计算得到潜艇水下发射武器时的瞬态过程中潜艇艇体的振动特性以及相关结构的振动传递特性；运用边界元技术，分析潜艇在发射条件下的舱室噪声和远场的水下噪声情况，预报潜艇的声学特性。课题中重点是计算水下发射鱼雷时，发射管内的压力急剧变化造成的湍流流场引起的噪声以及探讨降低发射噪声的途径。通过计算与分析，得到以下结论： (1) 高压水推动鱼雷出管时，外部海水的运动类似于空气中的扰动波，由于扰动后方鱼雷壁面、发射管壁面以及舰艇壳体的影响，扰动向后方的传播受到一定的阻碍，因此前方形成了马赫锥状的速度分界面，且高速度区域逐渐前移；由压力云图可以发现鱼雷前方高压区慢慢前移，但是前移位置一直滞后于速度矢量，所有位置的压力水头与速度水头变化都是相反的。 (2) 鱼雷的水下发射噪声是潜艇的特殊噪声源。发射噪声既可能将发射艇的位置暴露给敌方，又可能使目标易于规避鱼雷的攻击。随着水声对抗技术的发展，对鱼雷发射噪声的研究应该引起重视。鱼雷的水下发射噪声受到环境以及发射参数的影响。噪声既随着发射深度的增加而逐渐增强，又随着鱼雷出管速度的变化而变化。本文的仿真结果可为潜艇的鱼雷发射装置设计提供参考依据。鱼雷发射噪声产生的主要原因在于鱼雷出管形成的内外流场变化引起的水动力噪声，其影响因素还在于不同的水深环境所导致的海水密度与压力的改变。 (3) 增加发射管厚度以及材料阻尼、增加潜艇外壳厚度和材料阻尼以及增加发射管支撑的材料阻尼等措施，都对降低振动和辐射噪声有一定的效果，但是作用并不很明显。因此，初始设计阶段，在保证轻型舰艇的前提下，略增加潜艇外壳厚度是效果最好的。舰艇流固耦合模型与干模态模型相比，由于附加的流体质量和阻尼与结构的耦合作用，模态频率较干模态情况下向低频移动。振动的传递情况与舰艇结构的模态频率和振型有很大关系，流体的附加质量和阻尼对舰艇结构的振动模态都有较大的影响。在进行舰艇发射过程机械振动噪声预报时，应该充分考虑流体与舰艇结构的耦合作用。 (4) 内部声场计算发现，随着激励频率的增大，声强主要集中在指挥舱中间区域。这说明指挥舱内部的中心线位置声压级最大，且舱室内的声压级在大范围内变化，低频段最高达到90dB。外部声场计算表明，舰艇结构的辐射噪声有着很强的指向性，由于舰艇发射管位置的对称性，瞬态激励也具有对称性，因此大多数频率下声压的分布基本对称，只有200 Hz-300 Hz频带有一定的偏向，其原因在于声波的相位造成声场的不均匀。舰艇结构的水下声辐射声压随传播距离的增加而减小，且减小的程度与激励频率和场点远近有关。通过上述的工作，本文为带有发射装置的潜艇水下发射过程的湍流流场运动和流动噪声以及由此引起的振动与声辐射特性计算工作提供了一种切实可行的研究方法；得到了湍流运动过程中流场的运动情况以及流场噪声情况，得到了环境以及发射参数对水下发射噪声的影响规律；并进一步计算得到舰艇外壳的振动情况以及由此引起的噪声辐射，分析了辐射声压和艇体结构本身振动的联系、其频率成分的来源以及全艇在水下的声指向性问题。由此，为研究复杂大型结构的声学特性提供了可行的借鉴。
作者：	方媛媛
专业：	轮机工程
导师：	王国治
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文