推进轴系引起的艇体结构振动与辐射噪声控制研究

论文摘要

目前,关于水下结构的减振降噪研究多集中在机械噪声、螺旋桨自噪声和水动力噪声领域,对螺旋桨脉动力经由推进轴系、轴承支撑传递到壳体结构,激励壳体结构振动并向外界流场辐射噪声问题的研究较少,因此,对上述问题进行研究,将有助于进一步降低水下结构的辐射噪声。本文对螺旋桨一轴系与结构耦合作用引起的结构振动与辐射噪声问题开展研究,研究其规律特性,提出减振降噪方法,设计实验模型,验证分析方法及所提出的控制措施的有效性。分述如下:建立带有推进轴系的水下壳体结构计算模型,使用有限元/直接边界元方法对螺旋桨横向、纵向脉动激励引起的壳体结构辐射噪声规律特性进行分析。横向激励作用下结构主要体现为弯曲振动,辐射声压沿结构的长度方向分布,纵向激励作用下结构辐射声压分布在结构的首尾,且横向、纵向脉动激励下结构辐射声功率传函量级相当,都需采取方法进行控制。对螺旋桨纵向力引起的水下结构辐射噪声进行控制。分析弹性基础和推力轴承刚度对激振力传递特性及结构辐射声功率的影响,在此基础上,从纵向力在系统内的传递途径入手,改变推力轴承支撑样式、在轴段上安装纵向减振器及动力吸振器以降低结构的辐射噪声。分析螺旋桨横向力引起的水下结构辐射噪声的振动声辐射规律及控制方法。建立适应轴孔较长情况的轴承支撑模型,讨论尾轴后、前轴承支撑及推力轴承轴承刚度、轴承跨距对结构辐射噪声的影响。研究释放轴承支撑自由度、安装碳纤维轴段、在轴与轴承之间、推进轴系内中空部分填充阻尼材料、在尾轴后、前轴承位置安装动力吸振器等方法降低结构的辐射噪声。从能量传递角度分析轴系-结构耦合振动问题,鉴于结构复杂,使用基于有限元的功率流方法求解系统输入功率,经过各轴承支撑传递到壳体结构上的功率,以及结构内、外壳体的能量分布。分析激振力、力矩及层间流场对结构能量分布特性及传递特性的影响,同时从能量传递的角度对本文所采取的振动控制方法进行论述。设计轴系-壳体结构耦合振动试验台架,此台架可以测量经由螺旋桨传递到壳体结构的横向、纵向激振力以及轴系、壳体的振动响应。对此结构进行试验模态分析和受迫振动分析,验证计算方法的正确性,同时得到轴系与壳体结构的耦合振动规律。在此基础上,选用文中提出的横向、纵向激励控制方法,设计相应试验结构,对各控制方法的控制效果进行试验评估,验证控制方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 推进轴系引起的壳体结构振动与声辐射研究概况
• 1.2.1 轴系振动的研究概述
• 1.2.2 水下结构声辐射研究的发展与现状
• 1.2.3 推进轴系及壳体结构耦合振动与声辐射的研究现状
• 1.2.4 结构振动能量流的研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 推进轴系引起的壳体结构振动及声辐射特性分析
• 2.1 螺旋桨激振力理论
• 2.2 结构声固耦合计算的FEM/BEM理论
• 2.2.1 结构-流体耦合有限元方法
• 2.2.2 结构-流体耦合边界元方法
• 2.3 推进轴系-壳体结构耦合动力学计算模型描述
• 2.4 结构模态分析
• 2.5 推进轴系引起的壳体结构辐射噪声特性规律分析
• 2.5.1 螺旋桨激振力传递路径分析
• 2.5.2 尾部模型与整体模型的辐射声压比较
• 2.5.3 辐射声压分布比较
• 2.5.4 参考点辐射声压级的比较
• 2.6 本章小结
• 第3章 轴系纵振引起的壳体结构声辐射控制措施
• 3.1 引言
• 3.2 推进轴系纵振固有特性及纵向激振力传递特性
• 3.3 结构参数对轴系纵振引起的壳体结构辐射噪声影响分析
• 3.4 消减措施
• 3.4.1 改变纵向激振力的传递途径
• 3.4.2 安装轴向减振器
• 3.4.3 安装动力吸振器
• 3.4.4 动力吸振器与纵振减振器综合作用
• 3.5 本章小结
• 第4章 轴系横振引起的壳体结构声辐射控制措施
• 4.1 引言
• 4.2 推进轴系横振固有特性及横向激振力传递特性研究
• 4.2.1 轴系横振边界的简化及轴系横向振动特性分析
• 4.2.2 弹性基础对轴系横向力传递特性的影响
• 4.3 影响因素分析
• 4.3.1 尾轴后轴承支撑刚度
• 4.3.2 尾轴前轴承支撑刚度
• 4.3.3 同时改变尾轴前、后轴承支撑刚度
• 4.3.4 轴孔支撑刚度
• 4.3.5 推力轴承刚度
• 4.3.6 尾轴前、后轴承的间距
• 4.4 消减措施
• 4.4.1 释放约束自由度
• 4.4.2 改变轴段的材料
• 4.4.3 在轴孔和轴承之间添加阻尼材料
• 4.4.4 轴段中空部分填充阻尼材料
• 4.4.5 轴承支撑上安装动力吸振器
• 4.5 本章小结
• 第5章 推进轴系引起的壳体结构振动功率流分析
• 5.1 引言
• 5.2 基于有限元的功率流计算
• 5.2.1 连续体动力学的功率流方程
• 5.2.2 有限元基本振动方程及功率流方程
• 5.2.3 功率流传递特性分析及计算验证
• 5.3 轴系纵振引起的壳体结构振动功率流分析
• 5.3.1 未考虑层间流场
• 5.3.2 考虑层间流场的影响
• 5.4 轴系横振引起的壳体结构振动功率流分析
• 5.4.1 垂向激振力作用
• 5.4.2 水平激振力作用
• 5.4.3 横向激振力矩作用
• 5.4.4 考虑层间流场的影响
• 5.5 减振措施对结构功率流的影响分析
• 5.5.1 改推力轴承支撑结构
• 5.5.2 轴段上安装纵振减振器
• 5.5.3 尾部轴承支撑上安装动力吸振器
• 5.6 小结
• 第6章 推进轴系引起的壳体结构振动实验研究
• 6.1 实验模型的选取原则
• 6.2 实验装置
• 6.2.1 试验模型设计
• 6.2.2 试验测量系统和试验方案
• 6.3 实验结果分析
• 6.3.1 结构自由振动实验
• 6.3.2 随机激励下的响应
• 6.3.3 仿真与实验结果对比
• 6.4 推进轴系振动引起的结构振动控制效果试验分析
• 6.4.1 试验装置仿真控制效果研究
• 6.4.2 纵向激振力的振动控制研究
• 6.4.3 横向激振力的振动控制研究
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢