基于FEM/BEM的船体薄壁结构振动声辐射特性研究

论文摘要

对于水面舰船和水下潜艇来说,结构振动和噪声的预报和控制是一项重要的研究课题,它涉及到舰船和潜艇的舒适性、安全性和隐身性等方面。因此,振动和噪声已成为舰船和潜艇设计的一个重要指标。在船舶设计的早期阶段,如何能够快速准确的预报船舶的振动和噪声特性,使所设计船舶能够满足低振动和低噪声的要求呢?这已经成为船舶设计初期阶段的一项重要任务。本文正是围绕这一出发点来开展理论和数值研究的。介绍了结构振动和声辐射问题的主要研究方法；对国内外薄壁梁和圆柱壳振动声辐射的研究现状进行了总结。为实现船体结构振动声辐射特性的快速预报,本文采用有限元和边界元相结合的方法。介绍了有限元和边界元方法的基本理论；基于Benscoter理论和Timoshenko梁理论,采用一维薄壁梁单元来模拟船体梁,在船体梁横剖面处用二维边界元法计算结构表面声压,利用一维有限元和二维边界元耦合的方法计算薄壁梁在流体中的振动模态和响应,并将计算结果与三维可压缩流体边界元方法相结合,得到空间辐射声场；根据此模型,编制了无限域内和半无限域内的Fortran程序,采用求解复特征值的方法求解薄壁梁振动模态、响应以及辐射声场,并与ANSYS和SYSNOISE的计算结果进行了比较,验证了此程序的可行性。弹性圆柱壳体作为水下潜艇的典型结构,其振动声辐射特性有着重要的工程意义。介绍了圆柱壳振动声辐射的基本理论；以自由边界的封闭圆柱壳为研究对象,建立两端带平底板的圆柱壳有限元和边界元模型,利用有限元和边界元法的商业软件ANSYS和SYSNOISE来计算水中圆柱壳的模态辐射效率、辐射声功率等声辐射特性；通过改变激励力位置、对圆柱壳加肋,探讨了不同激励力位置、加环肋和纵肋对圆柱壳声辐射特性的影响；并且对圆柱壳辐射声场的空间指向性进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本文的选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 船体薄壁梁振动声辐射研究进展
• 1.2.2 圆柱壳振动声辐射研究进展
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 薄壁梁振动有限元分析
• 2.1 引言
• 2.2 弹性力学与有限元法概述
• 2.2.1 弹性力学概述
• 2.2.2 弹性力学的基本方程
• 2.2.3 有限元方法概述
• 2.3 基于Timoshenko梁理论的薄壁梁有限元法
• 2.3.1 Timoshenko梁理论
• 2.3.2 薄壁梁单元
• 2.4 数值算例
• 2.5 小结
• 3 可压缩流体边界元法
• 3.1 引言
• 3.2 声学边界积分方程
• 3.2.1 三维Helmholtz积分方程
• 3.2.2 二维Helmholtz积分方程
• 3.3 边界积分方程的离散
• 3.4 奇异积分的处理
• 3.5 CHIEF方法
• 3.6 数值算例
• 3.7 小结
• 4 船体薄壁梁振动声辐射的计算研究
• 4.1 引言
• 4.2 一维有限元模型
• 4.3 一维有限元与二维边界元的耦合方法
• 4.4 振动响应和辐射声场的求解
• 4.5 数值算例及分析
• 4.5.1 模态计算
• 4.5.2 位移响应计算
• 4.5.3 声场计算
• 4.6 小结
• 5 基于FEM/BEM方法的圆柱壳振动声辐射特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 论
• 5.2.1 结构有限元和声场边界元的耦合
• 5.2.2 结构辐射声功率和辐射效率
• 5.3 圆柱壳结构振动声辐射的数值计算
• 5.3.1 圆柱壳结构
• 5.3.2 激励力位置对圆柱壳结构声辐射的影响
• 5.3.3 加肋对圆柱壳结构振动声辐射的影响
• 5.3.4 圆柱壳辐射声场指向性分析
• 5.4 小结
• 6 总结和展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 对未来工作的展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢