船舶結(jié)構(gòu)噪聲截斷模型數(shù)值預(yù)報方法研究.pdf

1、為保障船舶具有良好的水下安靜性，在船舶設(shè)計及建造階段開展船舶結(jié)構(gòu)水下噪聲特性預(yù)報評估，及時發(fā)現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)噪聲設(shè)計存在的問題就變得十分重要；為此，國外海軍強(qiáng)國投入大量人力物力開展船舶結(jié)構(gòu)水下噪聲預(yù)報、評估的相關(guān)研究，形成了船舶結(jié)構(gòu)水下噪聲預(yù)報評估的系列方法，如解析法、工程估算法、數(shù)值計算方法等。解析法適用于簡單結(jié)構(gòu)(如圓柱殼等)的水下噪聲預(yù)報，當(dāng)結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜時解析法將很難勝任；工程估算法可用于相似船型的水下噪聲預(yù)報，但當(dāng)預(yù)報船舶與母型船存在較

2、大差異時，工程估算法將導(dǎo)致較大誤差；數(shù)值計算方法，特別是有限元法、邊界元法、FEM/BEM法、統(tǒng)計能量法數(shù)值計算方法的出現(xiàn)，為船舶結(jié)構(gòu)水下噪聲預(yù)報提供了豐富的研究手段，但由于船舶結(jié)構(gòu)水下聲輻射的復(fù)雜性，船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值預(yù)報，特別是船舶結(jié)構(gòu)水下中低頻噪聲預(yù)報仍存在諸多基礎(chǔ)性、機(jī)理性問題需要解決。
　　 為此，本文首先對船舶結(jié)構(gòu)水下噪聲預(yù)報研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，系統(tǒng)闡述了船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報技術(shù)發(fā)展概況，分析了船舶結(jié)構(gòu)水下噪聲預(yù)報存在的基礎(chǔ)

3、性問題及船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報的難點。分析表明：由于船舶結(jié)構(gòu)水下聲輻射涉及流固聲耦合、固液聲氣耦合等多種作用，其噪聲預(yù)報異常困難，現(xiàn)有船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值預(yù)報在船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值分析方法、設(shè)備對船體的激勵載荷計算方法、船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值預(yù)報模型的簡化方法等研究方面仍存在一定不足。針對上述問題，本文以船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值預(yù)報工程需求為牽引，對船舶結(jié)構(gòu)水下中低頻噪聲數(shù)值預(yù)報方法進(jìn)行研究，重點討論了船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值預(yù)報的截斷模型預(yù)報原理、設(shè)備對船體的激勵載荷、

4、船舶結(jié)構(gòu)聲學(xué)艙段截斷模型的簡化、船舶結(jié)構(gòu)噪聲分析的時頻綜合預(yù)報法及無限元法等基礎(chǔ)性問題；在此基礎(chǔ)上，初步形成了船舶結(jié)構(gòu)噪聲截斷模型預(yù)報的系統(tǒng)化方法，并結(jié)合水面船舶及水下航行器噪聲預(yù)報實際，探索了船舶結(jié)構(gòu)噪聲截斷模型預(yù)報方法的可行性，初步分析了水面船舶及水下航行器結(jié)構(gòu)的水下聲輻射特性，旨在為船舶結(jié)構(gòu)噪聲定量預(yù)報及相關(guān)研究提供方法依據(jù)。
　　 針對船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報存在計算規(guī)模大、求解效率低、預(yù)報頻段窄等弊端，從鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)動力學(xué)原理出發(fā)

5、，提出船舶結(jié)構(gòu)動力分析的截斷模型方法，簡化船舶結(jié)構(gòu)的建模工作；結(jié)合結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報原理，給出船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報的流場截斷方法；在此基礎(chǔ)上，提出船舶結(jié)構(gòu)噪聲截斷模型的數(shù)值計算方法，以減小船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報的計算規(guī)模，提高其求解效率及預(yù)報頻率；艙段結(jié)構(gòu)水下輻射噪射預(yù)報算例表明：模型截斷預(yù)報方法可有效降低船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報的計算規(guī)模，避免因設(shè)備建模等因素導(dǎo)致的數(shù)值計算誤差，提高船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值預(yù)報的頻率，特別是在含有大量設(shè)備的船舶結(jié)構(gòu)水下中低頻噪聲預(yù)報

6、方面具有較大應(yīng)用潛力，截斷模型計算方法可有效降低船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報的計算規(guī)模、提高其預(yù)報頻率及求解效率。
　　 針對船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報的輸入-設(shè)備激勵載荷-進(jìn)行研究，重點分析了設(shè)備對船體激勵載荷的計算方法。基于設(shè)備內(nèi)源特性不變及參數(shù)識別理論，提出設(shè)備內(nèi)源特性臺架試驗識別方法，由此建立設(shè)備臺架試驗到實船設(shè)備激勵載荷的轉(zhuǎn)換方法；基于設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)耦合振動機(jī)理，提出設(shè)備對船體結(jié)構(gòu)激勵力的簡便計算方法；基于力邊界與運(yùn)動邊界的統(tǒng)一性原理，提出

7、運(yùn)動邊界相似法，解決設(shè)備激勵載荷為振動加速度級形式不易在數(shù)值計算中施加的困難，并經(jīng)算例驗證，證明了運(yùn)動邊界相似法的有效性，解決船舶結(jié)構(gòu)噪聲截斷模型預(yù)報的載荷輸入問題。
　　 在船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報模型簡化方面，基于結(jié)構(gòu)動力分析及聲輻射理論，提出以局部艙段模型代替整船模型進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報的船舶結(jié)構(gòu)噪聲艙段截斷模型方法-行波法，并對其適用條件進(jìn)行分析，實現(xiàn)了船舶結(jié)構(gòu)噪聲截斷模型預(yù)報的進(jìn)一步簡化；通過圓板結(jié)構(gòu)水下聲輻射截斷模型，驗證了

8、船舶結(jié)構(gòu)噪聲艙段截斷模型方法的有效性，解決了以局部艙段代替整船模型進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報的困難。
　　 針對現(xiàn)有船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報存在求解效率低、無法考慮非線性因素、不能計及船舶結(jié)構(gòu)低頻振動與高頻波動耦合影響因素的困難，提出船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報的時頻綜合預(yù)報法，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值驗證；研究表明：時頻綜合預(yù)報法不僅可解決現(xiàn)有船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報存在的上述困難，還可針對關(guān)心頻點噪聲進(jìn)行詳細(xì)分析，以確定關(guān)心頻點船舶結(jié)構(gòu)噪聲主導(dǎo)傳遞分量及主導(dǎo)傳遞途徑

9、，可為船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報、評估及噪聲治理提供快速支持。針對船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報模型外流場域截斷及域外遠(yuǎn)場聲輻射存在的問題，提出聲學(xué)無限元法應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報模型，以降低模型計算規(guī)模、提高其計算精度，實現(xiàn)域外遠(yuǎn)場聲輻射的快速預(yù)報。
　　 最后，在前述研究基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)，初步形成船舶結(jié)構(gòu)噪聲截斷模型預(yù)報的系統(tǒng)化方法，規(guī)范船舶結(jié)構(gòu)噪聲截斷模型預(yù)報流程；并結(jié)合水面船舶及水下航行器結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報實際，給出船舶結(jié)構(gòu)噪聲截斷模型預(yù)報方法實際應(yīng)用