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水中阻尼复合壳体结构声振特性的数值分析

邹元杰  
【摘要】:结构振动和噪声预报及其控制对于民船和军船都是一项十分重要的研究课题。水中结构的声振特性与空气中结构的声振特性有很大不同,主要是因为受流体加载影响较大,因此,研究流体特性对水中结构振动的影响,以及流体边界条件对水中结构声振特性的影响,对于舰船结构振动噪声预报及其控制有着重要的理论意义和实用价值。研究水中阻尼复合壳体结构的振动、声辐射、声透射性能,对于预报潜艇的振动和噪声、进行消声瓦的设计和提高潜艇的声隐性有着重要意义。本文对水中弹性结构、阻尼复合壳体结构的声振特性作了数值分析,完成的主要工作和创新性成果如下: 将流体分别视为不可压缩和可压缩建立流固耦合方程,探讨了流体可压缩性对水下结构振动固有特性、振动响应的影响,以及按可压缩/不可压缩流体计算水下结构振动响应对声辐射的影响,并研究了与流体可压缩性影响相关的各种因素。研究结果表明:对于无界流体域中的结构,分别按不可压缩流体和可压缩流体计及流体加载效应,计算水下结构流固耦合振动响应,结果差别较大,特别是在共振区,考虑流体可压缩性后结构振动响应明显减小,并且,由于振动响应的不同会进而影响到声辐射的计算结果,因此,在计算无界流体域中的结构声辐射时,结构振动响应应当按可压缩流体计算。 基于耦合有限元/边界元方法,建立了半无限流体域中,特别是与无限大平面接触的水下结构的流固耦合振动方程,探讨了自由液面和刚性壁面对结构的固有频率、振动响应和声辐射的影响,并讨论了板厚、结构阻尼、结构与无限大平面的距离等有关因素。探讨了流体可压缩性对半无限流体域中结构振动的影响。研究结果表明:自由液面和刚性壁面对水中结构振动声辐射均有影响,且与结构刚度、结构与无限大平面的相对距离及激励频率等多个因素有关;对于靠近自由液面的水下结构,由于靠近自由液面的结构在低频区的声辐射效率很低,因此,如果结构刚度较小且靠近水面,则在低频情况下,流体可压缩性对结构的振动响应影响不大,但对于刚度较大的结构,即使在自由液面附近振动,流体可压缩性对结构振动响应的影响也不可忽略。 建立了结构在浅水中的声辐射边界积分方程和耦合结构有限元/流体边界元振动方程,探讨了浅水对结构振动固有频率、振动响应和声辐射的影响。研究结果表明:当水深较小时,浅水对水中结构振动的固有频率有明显影响;浅水对结构振动响应和声辐射均有影响,其中对声辐射特性的影响更大且更复杂,即使水深超过结构浸深的10倍,水深变化也会影响到结构的声辐射功率级。 将板一块体组合有限元模型与声学边界元结合,建立了阻尼复合壳体结构在力激励作用下的弹性层一粘弹性层一外部声场耦合声振数值计算模型,对敷设阻尼材料的壳体结构在水中的振动声辐射性能作了系统的研究。研究结果表明:敷设粘弹性阻尼层使结构振动响应和声辐射水平明显降低,其减振降噪的效果与阻尼层的厚度、物理参数和外激励频率等密切相关;同未敷设阻尼层的结构相比,敷设粘弹性阻尼层的结构在水中的振动响应和声辐射功率受自由液面和刚性壁面的影响要小得多;与弹性结构比较,流体可压缩性对水中弹性—粘弹性复合结构振动响应的影响要小。 针对水中复杂形状的弹性—粘弹性复合结构,将板一块体组合有限元模型与声学边界元(包括内问题和外问题)结合,建立了阻尼复合壳体结构在内场声激励作用下的内 摘要 部声场一弹性层一粘弹性层一外部声场祸合声振数值计算模型,对壳体内部点声源声场经 弹性一粘弹性复合结构向水中透射的传声损失作了研究。研究结果表明:在结构表面敷 设粘弹性层可以有效地改善水中板壳结构的隔声性能,降低结构内部噪声经弹性结构一 粘弹性层向水中透射的声压级。


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