双层圆柱壳振动及声辐射对比.pdf

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第37卷第2期舰船科学技术Vo1．37，No．22015年2月SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYFeb．，2015单／双层圆柱壳振动及声辐射对比李兵，张超(1．中国舰船研究院，北京100192；2．哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨150001)摘要：采用模态叠加法，分别在点激励和面激励作用下，研究单／双层圆柱壳的振动及声辐射特性。研究结果表明，点激励作用在实肋板位置时，由于较大的局部机械输入阻抗，使得双层圆柱壳的辐射声功率和径向均方振速明显小于单壳。面激励作用时，在低频段与单层圆柱壳相比，双壳辐射声功率峰值向高频偏移，且幅值略小，径向均方振速幅值更小、峰值更少；随着频率升高，单／双壳的辐射声功率和径向均方振速在平均意义下趋于一致。关键词：振动与声辐射；单／双层圆柱壳；模态叠加法中图分类号：U661．73文献标识码：A文章编号：1672—7649(2015)02—0014—05doi：10．3404／j．issn．1672—7649．2015．02．003ComparisononvibrationandsoundradiationfromsingleanddoublecylindricalshellsLIBing，ZHANGChao(1．ChinaShipResearchandDevelopmentAcademy，Beijing100192，China；2．ScienceandTechnologyonUnderwaterAcousticLaboratory，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001，China)Abstract：Basedonthemodalsuperpositionmethod，thecharacteristicsofvibrationandsoundradiationfromsingleanddoublecylindricalshellsexcitedseparatelybypointforceandsurfaceforcewerecompared．Theresuhsshowthat，excitedbypointforceonthelocationofannularplate，thesoundradiatedpowerandradialquadraticvelocityfromdoublecylindricalshellsarebothlowerthanthosefromsingleshellbecauseofthebiggerinputmechanicalimpedancefordoubleshells．Whensurfaceforceisapplied，atlowfrequency，comparedwiththecaseofsingleshell，thesoundradiatedpowerpeaksofdoubleshellsmovetohigherfrequenciesandtheamplitudesaresmallerslightly，moreover，theradialquadraticvelocitypeaksofdoubleshellsaresparserandtheamplitudesaresmaller．Furthermore，withthefrequencyincreasing，theaveragesoundradiatedpowerandtheaverageradialquadraticvelocitiesfromsingleanddoublecylindricalshellsbothtendtobeconsistent．Keywords：vibrationandsoundradiation；singleanddoublecylindricalshells；modalsuperpositionmethodDytran罚函数接触算法和有限元数值方法，对撞击后0引言典型单双结构耐压壳体结构的剩余强度特性进行了比单／双层圆柱壳是水下航行器的典型结构，基于较分析。另外，梅志远还基于单／双壳体典型结构圆柱壳结构的水下振动和声辐射问题一直受到国内外特征，以总重量相近为基础，开展了单／双壳体典型学者的广泛关注I2。与单壳相比，双壳结构更为复结构耐撞特性模型的试验研究。林平根采用有限杂，振动和声辐射特性也存在一定的差异。从力学和元分析软件MSCNastran，分别对25000DWT单壳、声学分析的角度，学者们已经围绕单／双层圆柱壳开双壳散货船进行了船体舱段结构响应对比分析。陈展了一系列的对比分析研究。梅志远基于MSC／美霞。。通过单、双层环肋圆柱壳模型试验，研究了收稿日期：2014—04—02；修回日期：2014—06—05作者简介：李兵(1982一)，男，工程师，主要从事振动与噪声研究工作。 第2期李兵，等：单／x~g：圆柱壳振动及声辐射对比·15·圆柱壳内部介质对壳体振动与声辐射的影响及在不同激励下壳体与外场声辐射的关系。魏建辉基于随机理论，采用半解析半数值方法，计算了湍流激励下单／双层圆柱壳的输入功率谱密度和振动速度功率谱密度，对比分析了单／双层圆柱壳的振动特性。ppcph在上述研究的基础上，本文着重进行机械激励毒一]o(3)下单层和双层圆柱壳的振动及声辐射特性的对比分析。采用模态叠加法建立一组短、长圆柱壳模型，考虑点力激励和面力激励2种形式，并对单／双壳的辐射声功率和壳体径向均方振速进行对比分析。f(cb，)=∑∑∑Fn(n+)sin()。(4)1振动声辐射建模1．1单层圆柱壳建模El[03w单层圆柱壳模型长，壳厚h，壳体半径为a，：＼a一害a)J一ERA：r[＼Oaw+’害a)JA一垂Ot：两端简支在无限长圆柱刚硬障板上，内部有环肋，外部为无限大水介质。单层圆柱壳模型和坐标系示04(v意图如图1所示。一窘)+(+嚣)A雾=图1单层圆柱壳模型和坐标系Fig．1Singlecylindricalshellmodelandcoordinatesystem1一e)一薏，=。(6采用经典的Fltigge薄壳理论来描述圆柱壳的运叫0p，)o㈩式中：L为圆柱壳微分算子；u，，W为圆柱壳轴向、周向、径向位移分量；P为壳密度；C为壳体中平面波相速度；厂和P1分别为外激励力和外流体对圆柱壳的作用力；和分别为环肋对圆柱壳的周向和径向作用力。由简支条件，圆柱壳位移可以写为模态[耋csions(n(咖b+警)cs。is(。)，(2)sin(n咖+等)sin(z) ·16·舰船科学技术第37卷双壳比较时的建模原则为单壳壳体参数与双壳内壳参数一致。分别建立一组短、长圆柱壳模型，模型1i}p)，㈩长分别为9．6m和19．2m，其他参数不变。双层圆柱壳内壳半径3m，厚0．024m，外壳半径3．5m，厚0．006m，内外壳由轴向均匀分布的环形实肋板日，}。(9，连接，厚0．01m，间距0．6m，内壳内部真空，内外壳间充满水，整个模型浸没在无限大水中。单层圆柱壳内部轴向均匀分布有环形肋骨，环肋高0．2m，厚0．01m，间距0．6m，模型内部真空，浸没在无限大水中。单壳模型的环频率约为285．8Hz。在2组单／双壳模型壳体正中施加径向点激励，大小1N，计算各自的辐射声功率，并进行对比，如图2所示，参考声功率为0．67×10w，下同。可以看出，无论短模型还是长模型，双壳的辐射声傍轧]’(1功率明显小于单壳，这是因为激励力恰好在双壳实肋板处，实肋板的存在使得双壳的机械输入阻抗明显大于单壳，从而导致双壳的辐射声功率小于单壳。傍乩：曼]o(1l另外，在100Hz以下频段，双壳主要辐射峰值频率明显高于单壳，这是因为双壳结构更加复杂，其整体刚度也明显大于单壳，其共振频率也就更高。仁÷Re(()Rd6dz，(12)[面]儿而而Rd+d。(13)图2点激励下单／双层圆柱壳辐射声功率对比Fig．2Comparisonofsoundradiatedpowerfromsingleanddoublecylindricalshellsexcitedbypointforce 第2期李兵，等：单／双层圆柱壳振动及声辐射对比·17·在工程上，面力激励的情况更加普遍。在上述首先进行点激励下单／双壳径向均方振速的对比研计算的基础上，将点力激励改为面力激励，分别在究，分析模型仍为短、长两组单／双层圆柱壳模型，模短、长单／双壳模型的壳体正中部周向叮『／4、轴向型参数及激励力情况同前。点激励下单壳和双壳内壳3．2m的矩形面上施加径向面激励力，单位面积力的径向均方振速的对比如图4所示，参考振速为5×为1N。分别计算单／双壳辐射声功率，对比结果如10～m／s，下同。可以看出，无论短模型还是长模型，图3所示。可以发现，100Hz以下频段，依然存在双壳内壳的均方振速均明显小于单壳，且在100Hz以双壳大部分辐射峰值频率高于单壳的现象；随着频下频段，差异更大，这是因为点激励恰在双壳实肋板上，率升高，单／双壳的辐射声功率逐渐趋于一致，这与局部机械输人阻抗明显大于单壳，导致双壳径向均方振点激励时明显不同，这是因为，点激励作用面积较速小于单壳。另外，100Hz以下频段，双壳共振峰频率小，受局部机械输入阻抗影响较大，当点力作用在明显大于单壳，这是由双壳整体刚度较大导致的。实肋板上时，较大的输入阻抗使得双壳辐射声功率明显小于单壳，而面激励时作用面积较大，在平均意义下单／双壳机械输入阻抗差别变小，从而单／双壳的辐射声功率差别也变小，这表明，在较高频段单／双壳的声辐射能力差别较小。图4点激励下单／双层圆柱壳径向均方振速对比Fig．4Comparisonofradialquadraticvelocitiesfromsingleanddoublecylindricalshellsexcitedbypointforce将点激励换为面激励，在短、长单／双壳模型的壳体正中部周向,rr／4、轴向3．2m的矩形面上施加图3面激励下单／双层圆柱壳辐射声功率对比Fig．3Comparisonofsoundradiatedpowerfromsingleanddouble径向面激励力，单位面积力为1N，重新计算，结cylindricalshellsexcitedbysul-faeeforce果如图5所示。可以发现，无论短模型还是长模型，在小于140Hz频段上，双壳共振峰低而稀疏，单壳3单／双壳径向均方振速对比共振峰高而密集；在大于140Hz频段上，单／双壳圆柱壳体的振动关系到外部声辐射和舱室内部共振峰都比较密集，并且两者平均值趋于一致，这噪声水平，因此振动特性也是圆柱壳研究的重要内与点激励时明显不同。与点激励相比，面激励作用容。径向均方振速表征了壳体整体的振动大小，是面积较大，受局部机械输入阻抗影响更小，更容易分析壳体振动的重要参数。体现出单／双壳自身的振动特性。 ·18·舰船科学技术第37卷参考文献：[1]魏建辉，陈美霞，牟彬杰，等．基于IBEM的水下双层圆柱壳声振性能研究[J]．舰船科学技术，201l，33(7)：9—13．WEIJian．hui，CHENMei—xia，MOUBin-jie，eta1．ResearchonvibrationcharacteristicofdoublecylindricalshellunderwaterbasedonIBEM[J]．ShipScienceandTechnology，2011，33(7)：9—13．『21HASHEMINEJADSM，MOUSAVI—AKBARZADEHH．050100150200250300350400Vibroacousticresponseofaneccentrichollowcylinder[J]．频率PrlzJournalofSoundandVibration，2012，331(16)：3791—3808．(a)短模型[3]梅志远，李卓，吕岩松．单／双壳体潜艇结构耐撞剩余强度特性研究[J]．中国舰船研究，2011，6(5)：7～l0．MEIZhi—yuan，LIZhuo，LVYan—song．Comparisonofresidualstrengthcharacteristicsfordoubleandsinglehullsubmarinesubjectedtoimpactloading[J]．ChineseJournalofShipResearch。2011，6(5)：7—10．[4]梅志远，李卓．单双壳体典型结构耐撞特性模型试验研究及仿真分析[J]．船舶力学，2011，15(11)：1248—1254．MEIZhi—yuan，LIZhuo．Experimentalandnumericalresearchforimpact—resistancecharacteristicofdoubleorsingleshellstructureinwater[J]．JournalofShip图5面激励下单／双层圆柱壳径向均方振速对比Mechanics，2011．15(11)：1248—1254．Fig．5Comparisonofradialquadraticvelocitiesfromsingleand[5]林平根，谢永和．单双壳散货船横向强度的有限元对比doublecylindricalshellsexcitedbysurfaceforce分析[J]．中国造船，2009，50(1)：19—24．LINPing—gen，XIEYong—he．Contrastanalysisofsinglehull4结语anddoublehullbulkcarrierstransversestrengthbyFEM[J]．ShipbuildingofChina，2009，50(1)：19—24．采用模态叠加法建立了单／双层圆柱壳水下振[6]陈美霞，和卫平，邱昌林，等．力激励与声激励作用下圆动声辐射计算模型，针对短、长两组单／双层圆柱柱壳声振性能试验[J]．华中科技大学学报(自然科学壳模型，分别进行点激励和面激励，对单／双层圆版)，2011，39(3)：55—60．柱壳的振动及声辐射特性进行了对比研究，结论CHENMei—xia，HEWei—ping，QIUChang-lin，eta1．Experimentsofthevibrationandsoundradiationfromcylindrialshellsunder如下：forceandsoundexcitation[J]．J．HuazhongUniv．ofSci．＆Tech．1)点力作用在实肋板上，局部机械输入阻抗(NaturalScienceEdition)，2011，39(3)：55～60．较大，导致双壳辐射声功率和内壳均方振速都明显[7]魏建辉，陈美霞，乔治，等．湍流激励下单双层圆柱壳振小于单壳；动特性对比[J]．华中科技大学学报(自然科学版)，2)面力作用面积大，受局部机械输入阻抗影2012，40(8)：44—48．响小，更容易体现出单／双壳自身的振动声辐射特WEIJian—hui，CHENMei—xia，QIAOZhi，eta1．Comparingthe性：低频段，与单壳相比，双壳均方振速幅值更小、vibrationcharacteristicsofsinglecylindricalshellsanddouble峰值更少，辐射声功率幅值略小，且峰值向高频偏onesexcitedbyturblcntboundarylayers[J]．J．HuazhongUniv．移；随着频率的升高，单／双壳的辐射声功率和径向ofSci．＆Tech．(NaturalScienceEdition)，2012，40(8)：44—48．[8]陈美霞，金家坤，彭旭，等．内外壳对水下双层圆柱壳声均方振速都在平均意义下趋于一致；振性能影响分析[J]．船舶力学，2009，13(4)：628—634．3)单／双层圆柱壳水下振动及声辐射在低频段CHENMei·xia．JINJia—kun，PENGXu，eta1．Influenceby差异明显，实肋板结构及其与激励力位置关系是影theinnershellandtheoutershellonsound—vibration响振动能量传递的关键。分析表明，双层壳体结构characteristicsfromdoublecylindricalshellsinwaterfJ]．在降低低频声辐射方面具有积极意义。JournalofShipMechanics，2009，13(4)：628—634．