水下航行体振动与声辐射数值实验研究.pdf

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1、j第39卷第3期2010年6月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGV01．39No．3Jufl．2010DOI：10．3963／j．issrL1671—7953．2010．03．039水下航行体振动与声辐射数值实验研究张森森，杨升山。张猛(海军装备部驻沈阳地区军事代表局，沈阳110031)摘要：基于有限元、边界元法．结合有限元计算软件ANSYS和声学软件sYsNOIsE。对某水下航行体进行整体建模，对壳表面引发的声辐射噪声进行声压级预报，重点讨论激振力频率、激振点纵向位置变化对航行体艏、艉端以及中部声压的影响，

2、结果表明应当采取有效减振降噪措施降低500Hz范围以内的机械辐射噪声，主机位置变化对艏端点结构辐射噪声有重要影响，但并不是主机激振位置距艏端越远声压级就越小，而是有一个最佳的匹配位置。关键词：水下航行体；有限元；边界元；振动和声辐射中图分类号：U661．44文献标志码：A文章编号：1671～7953(2010)03—0137—05水下航行体噪声包括结构噪声、螺旋桨噪声和流噪声。装在水下航行体上的动力机械装置引起壳体表面振动是引发水下航行体结构产生结构辐射噪声的最主要的原因。以某复杂双壳水下航行体模型为研究对象，基于FEM／B

3、EM法，首先利用有限元软件ANSYS对主机振动激励(简化为单点简谐集中力)下水下航行体壳板的耦合振动进行了数值模拟计算，然后利用边界元软件SYSNOISE对壳表面引发的水下航行体声辐射噪声进行声压级预报，并探讨影响辐射噪声的因素。1计算方法及原理水下结构振动与声辐射是一个复杂的动态过程，可以分为结构振动和结构辐射声场两部分。一方面，结构声辐射是由结构振动引起的，另一方面，结构辐射声场反过来又会对结构振动产生反作用，他们之间应该是耦合作用的，其作用原理见图1。图1结构振动与声辐射作用原理收稿日期：2009-12—03修回日期：

4、2010-02—25作者简介：张森森(1977-)，男，硕士生。研究方向：轮机工程。E-mail：dejinqian@yahoo．com．c1％1．1结构流体耦合作用方程不考虑周围的流体作用时，结构经有限元离散后的运动方程可写成：旭U+CU+K。【，一F3(1)式中：M：——结构的质量矩阵；K——结构的刚度矩阵；cs——结构阻尼矩阵；Fs——结构载荷力向量。当结构置于无限深水中时，必须考虑水的耦合作用。假设周围的介质是理想流体‘1

5、，则声波动方程可由如下方程表示：V2户一言磬(2)Ca‘式中：户——瞬时声压；￡——时间变量；

6、f——流体介质中的声速。经过一系列的数学处理，最后，结构流体耦合作用方程可写成[2]：[篡珧卜[c珧}+[K0：T㈦P一㈥0㈤LK；JlJIJ式中：M、C、K、R——质量、阻尼、刚度和耦合矩阵；P、U、卜声压、速度和外力向量；广流体密度；下标s、卜结构和流体。第3期船海工程第39卷1．2流体介质中的声辐射对于单频激励，波动方程式(2)有如下形式的Helmholtz积分解[3]：P(rph(rp)『』[p(rq)掣一G(，p，，q)掣p。(4)式中：，。——观测点位置；S——声源表面；挖——声源表面的外法线方向5a(r，)——

7、与，p所在区域和S是否为光滑的封闭曲面有关；G(rp，，q)——格林函数，G(rp，rq，一焉篑；其中：R(，p，rq)一lrp一，qI。利用边界元技术，将声源表面离散可得如下矩阵方程：Pf—APs+B鹾，。(5)CPs=D《。。最后可得除声源S的声场声压为：Pt一(AC-1D+B)彰。(6)这样，如果声源S处的声压和位移已知就可以求得声场中任一点的声压。1．3计算流程采用有限元法计算结构的振动响应，在此基础之上采用声学边界元法来计算结构的辐射声场。在使用FEM+BEM计算模型的低频特性时，采用比较常用的ANSYS结合SYS

8、NOISEE4]软件的算法，即：在ANSYS软件中计算结构的振动响应，然后以结构的位移为边界件在SYS-NOISE软件中使用边界元技术计算模型的辐射声场，具体的计算流程见图2。提取结构外表面的节点，生成外表面肖点的坐标数据文件．文件的格式为+datSYSNOISEit‘算结构的辐射声场蛾禚辫瓣翟陋运弧取市点号．再利用节点号提取位l糯八1且移边夼=隶仟lI掣观移．生成位移文件。文件格式l价x。阡为·腑利用ANSYS生成结构外表面的有限元}c]9格模型文件。文件格式为+cdb图2计算流程138生成SYSNOTSE能够识别的边界元

9、网格文件2模型的建立水下航行体是一个三维的复杂结构体，对其结构形式加以简化，计算用的结构为某一简化的双壳水下航行体结构，去除了外壳表面的附体，艇内部建有若干舱壁，内外壳间采用实肋板连接，其有限元模型见图3，其主尺度为艇长L，艇中部非耐压壳体最大直径为D。图3水下航行体有限元模型水下航行体壳