水下复杂圆柱壳振动能量流和声辐射特性研究

论文摘要

本文的研究工作是“十五”预研基金资助项目“结构声传递和声辐射计算(2)”(项目编号:10105010204)的一部分。本文采用周期结构理论和振动能量流的方法,对水下无限长周期环肋加强圆柱壳、环肋和舱壁双周期加强圆柱壳以及粘弹性复合圆柱壳等结构模型的振动能量流和声辐射进行了理论分析和相关的试验研究,系统探讨了环肋、舱壁、阻尼层以及重要结构参数对圆柱壳结构振动声性能的影响。分析模型接近工程实际结构,可为研制出结构振动响应级小、辐射噪声水平低的新型高性能潜艇提供可靠实用的计算方法。文中首先以一流场中无限长周期环肋加强圆柱壳受激振动的能量流及声辐射为研究对象。分析中,将周期结构理论和振动能量流理论引入到周期加肋圆柱壳—流场耦合系统,分别用Flügge方程和Helmholtz方程描述壳体及声场的波运动,并利用圆柱壳—流场的耦合条件,把环肋对圆柱壳振动的影响用环肋对壳体的作用力和力矩代替,采用空间简谐分析方法推导周期耦合系统在外载荷作用力下的响应,根据壳体微元应力、应变关系推得壳体中的各内力和力矩,并最后推得外力输入到圆柱壳的能量流、加肋圆柱壳内力传播的能量流以及壳体辐射线功率和声功率的计算公式。在数值分析中,针对不同频率、不同周向波数、不同结构阻尼和不同肋骨参数,计算了周期环肋加强圆柱壳的输入能量流、传播能量流以及声辐射,并同真空加肋圆柱壳和充液加肋圆柱壳的结果做了比较。接着,将研究对象扩展到双周期耦合系统,研究了流场中无限长环肋和舱壁双周期加强圆柱壳受外激励的振动能量流和声辐射。与肋骨的处理相似,把舱壁对圆柱壳振动的影响用舱壁对壳体的作用力和力矩代替,同样采用空间简谐分析方法推导双周期耦合系统在外载荷作用力下的响应,根据壳体微元应力、应变关系推得壳体中的各内力和力矩,计算了不同频率、不同周向波数、不同结构阻尼等情况下环肋和舱壁双周期加强圆柱壳的输入能量流、传播能量流以及声辐射,着重探讨了舱壁参数的影响。鉴于粘弹性阻尼材料在减振降噪中的广泛应用,进而分析了表面敷设粘弹性阻尼层的圆柱壳—流场耦合系统的振动能量流和声辐射。利用Flügge壳体理论和Helmholtz方程导出了流场中自由阻尼复合壳的振动微分方程,用复模量形式计及基壳和粘弹性阻尼材料的损耗因子以及流固耦合作用,采用波传播分析方法求解,着重探讨了粘弹性阻尼层的影响。在理论方面,本文的研究丰富和发展了周期结构理论和振动能量流方法,首次采用空间简谐分析方法研究了水下周期及双周期加强圆柱壳耦合系统的振动能量流和声辐射,并基于波传播方法,对自由阻尼圆柱壳在流场中的振动和声辐射特性进行了探讨。在试验方面,设计了周期加肋圆柱壳结构模型,对流场中周期环肋加强圆柱壳的输入能量流和辐射声压的进行了测量,通过测量结果与理论结果的对比,证实了本文理论分析的合理性。结构中的振动及噪声,以波的形式向远处传播,其本质是振动能量流的传播,而辐射声功率等于结构输入的能量流扣除在传播过程中阻尼损耗能量的剩余部分;另外,低频时无限结构的响应近似地是相应有限结构响应的平均值,随着频率增高,有限结构与相应无限结构的响应趋于一致。因而,本文的研究工作对指导潜艇的减振降噪具有较大意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 文献综述
• 1.3 本文的研究内容
• 2 周期环肋加强圆柱壳的振动能量流特性
• 2.1 引言
• 2.2 研究对象
• 2.3 周期耦合系统在简谐外力下的响应
• 2.4 周期耦合系统在简谐外力下的输入能量流
• 2.5 周期耦合系统中能量流的传播
• 2.6 本章小结
• 3 周期环肋加强圆柱壳的声辐射特性
• 3.1 引言
• 3.2 理论推导
• 3.3 周期圆柱壳沿轴向辐射的线功率
• 3.4 周期圆柱壳辐射的声功率
• 3.5 本章小节
• 4 环肋和舱壁双周期加强圆柱壳的振动能量流特性
• 4.1 引言
• 4.2 双周期耦合系统在简谐外力下的响应
• 4.3 双周期耦合系统在简谐外力下的输入能量流
• 4.4 双周期耦合系统中能量流的传播
• 4.5 本章小结
• 5 环肋和舱壁双周期加强圆柱壳的声辐射特性
• 5.1 引言
• 5.2 双周期圆柱壳沿轴向辐射的线功率
• 5.3 双周期圆柱壳辐射的声功率
• 5.4 本章小结
• 6 粘弹性复合圆柱壳的振动能量流和声辐射研究
• 6.1 引言
• 6.2 耦合系统运动方程
• 6.3 粘弹性复合圆柱壳受激振动的输入能量流
• 6.4 粘弹性复合圆柱壳能量流的传播
• 6.5 粘弹性复合圆柱壳的辐射声功率
• 6.6 数值计算及结果讨论
• 6.7 本章小结
• 7 周期环肋加强圆柱壳振动能量流和声辐射的试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 试验模型
• 7.3 材料参数测量
• 7.4 输入能量流测量
• 7.5 辐射声压测量
• 7.6 本章小节
• 8 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录