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水下复杂结构的声振预报方法与特性分析

冯娜  
【摘要】:目前,对于水下复杂结构,通常采用有限元+边界元方法进行中低频激励下的声振预报,采用统计能量方法进行高频激励下的声振预报,这里存在两个问题:首先是有限元+边界元方法的计算效率问题,其次是在“中频”段,由于有限元求解效率降低以及无法满足统计能量分析的精度要求,上述两种方法均无法完满地解决结构的声振问题。本文以水下结构作为研究对象,在原有的数值预报方法基础上,重点针对上述两个问题,开展了水下结构全频段声振预报方法与特性的研究。 本文首先对水下双层圆柱壳体两边均有流体时常规流固耦合作用无法施加的问题进行了研究;针对有限元+边界元方法存在计算规模大、求解效率低的弊端,引入了近几年新兴的完美匹配层方法(以及由此发展的自动匹配层方法),水下结构实例计算表明:采用有限元+边界元方法、完美匹配层以及自动匹配层方法计算所得的中低频声振结果能够很好的吻合;对于结构简单、尺寸较小的结构,采用自动匹配层方法具有极高的求解效率,而对于内部结构复杂、体积庞大的水下复杂结构,则采用有限元+边界元方法的求解效率较高。 在高频激励下,本文采用统计能量方法对水下结构进行声振预报,对统计能量模型参数的确定、子系统的划分、结果的精度等进行了研究。研究表明:当子系统模态数不满足要求(即频率不够高)时,采用统计能量法计算的结果并不准确,需寻求其它的方法。 在中频激励下,本文针对有限元法与统计能量法在声振预报中的局限性,将两种方法相结合,采用了FE-SEA混合法,通过对水下结构的声辐射计算,验证了这种预报方法在中频的可行性。 以水下双层加肋圆柱壳为例,采用自动匹配层方法,探讨了外部重流体及双层壳之间的连接形式(层间流体及横向托板)对结构中低频振动与声辐射的影响。 针对某典型水下复杂结构的尾舱段,采用有限元+边界元方法分析了此结构在不同工况下的中低频声振特性,研究表明不对称的集中激励力比对称的分散激励力对振动与声辐射的贡献更大,层间流体在一定程度上抑制了外壳的振动,但是却增加了声辐射作用;之后,采用FE-SEA混合法研究了结构中频的声辐射特性。


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