中低频段轴—艇耦合系统声振特性及艇体非均匀性影响研究

发布时间：2020-03-28 09:10

【摘要】：研究并降低潜艇在中低频段的声辐射,对其安全和作战性能有至关重要的意义。本文针对轴-艇耦合系统的振动与声辐射,结合其在不同频段拥有不同振动形式的特点,并考虑到实际结构的质心与几何中心不重合,在低频段用解析法建立了偏心梁模型,对中频段的非均匀壳模型采用数值仿真。分析了质量偏心、密度沿轴向分布、连接情况等对梁模型振动与声辐射的影响;研究了载荷非均匀、结构非均匀、质量分布与连接、轴-艇间连接数目、分布与刚度对系统响应的影响规律;最后针对正常基座-均匀艇体与正常基座-非均匀艇体系统,进行了空气中模态与振动响应测试,对于正常基座与下沉基座的轴-艇系统,开展了水下振动与声辐射试验验证。主要研究内容包括:(1)在推导的偏心Timoshenko梁弯-纵耦合振动方程基础上,利用解析法/改进的传递矩阵法,建立了阶梯单梁/双梁模型。揭示了偏心对梁特性及响应的影响规律,研究了密度分布、连接情况对振动与声辐射的影响。研究表明:质量偏心会引起弯-纵振动耦合,且其引入的附加转动惯量使弯曲频率下降,引入的附加轴向刚度使纵向频率上升;密度分布越远离中心,纵振频率越低,而分布不均均会使弯曲频率上升,同时改变梁的振型;在特低频由连接与激励位置的距离决定垂向传递力的大小,稍高频由连接刚度决定。(2)通过有限元/边界元法建立了艇体壳及梁-壳水下振动与声辐射模型。研究了载荷、结构、质量非均匀及质量连接对艇体振动与声辐射的影响,给出了系统在三个方向激励下的响应特性,同时分析了轴系及其连接情况对系统声辐射的影响规律。结果表明:非均匀轴向载荷会激发起艇体的弯曲模态,而非均匀结构与质量会使高低阶周向波数模态耦合,改变艇体特性,增强声辐射;轴系会在其固有频率附近将传递力动力放大,从而使得系统在此处有较高声功率;在力的主传递路径附近增加支撑,可以改善其受力状况,降低声辐射。(3)在对轴-艇耦合系统分析的基础上,开展了轴-艇空气与水下的振动、声辐射测试,考察并分析了基座下沉对系统响应的影响及原理。试验及仿真结果表明:仿真模型是合理、准确的;基座高度的降低改变了其轴向阻抗特性,引起基座参与程度较大的模态固有频率上升,对于轴向激励,使得低于此频率的系统声辐射功率有一定降低。本文针对中低频下轴-艇耦合系统振动、声辐射及艇体非均匀性的影响,进行了一系列理论与试验研究,明确了载荷、结构、质量非均匀及轴系对系统的影响,提出了若干被动控制措施,对于潜艇结构设计具有较高的工程指导意义。
【图文】：

图 1.1 均匀圆柱壳的声辐射效率[46] 1.1 Radiation efficiencies of uniformly vibrating cyl引发的声辐射，大量学者进行了研究[48-52]，极子、偶极子、无限大平板、圆柱辐射体等生变化，相当于各段梁元在流体中进行上下沿着轴线方向振动的同时，由于泊松效应产体积发生变化。因此，在所研究的声波波长体梁元看做单极子(纵振)或者偶极子(垂向加原理进行叠加，便可得到艇体梁模型的究了自由-自由梁的声辐射问题，考虑了梁谢基榕[54]在单极子基础上给出了梁纵向振辐射特性的影响得到了广泛关注，，祁立波的水下声辐射进行了研究，他的研究结果表声辐射分别由纵向模态与弯曲模态引起；对还是轴向激励，声辐射曲线中均既有弯曲模

图 1.2 分布式连接的(a) 双梁模型[65]，(b) 多梁模型[63]Fig. 1.2 Distributed connected (a) double-beam model, (b) multi-beam model针对离散连接的多梁模型，相关研究较少[64, 74, 75]。Zhang 等[64]考虑了全等简支双梁两侧是刚性壁，梁之间充满液体的情况，双梁在中点处采用主动弹簧连接。利用振型叠加法研究了系统的频率、模态以及压力分布，文章的重点是采用自适应算法，在双梁之间利用主动弹簧施加主动力，对系统振动进行控制。Abbas 等[74]将火箭主体与助推器简化成离散连接的三梁模型，考虑了梁参数沿轴向变化的情况且边界为自由-自由，文章的重点是对传递矩阵法编程及对矩阵寻根优化算法的详细介绍，并未对系统特性及参数分析做出研究。Zhang 等[75]在研究双梁系统时，引入了几何不连续、内部连接与中间附件等因素，但在连接处并未考虑纵向刚度也未考虑质量在截面内的非均匀性。对于双杆的动力学建模，多出现在纳米管材料的研究中[76, 77]。为了研究纳米复合材料之间的动力学耦合效应，Karli i 等[76]与 Murmu 等[77]分别建立了连续连接与离散连接的双杆模型，在固支-固支，固支-自由边界下，研究了材料长度比例参数材料阻尼、连接阻尼与边界条件对系统动力学特性的影响，他们发现，相对于连接阻
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U674.76

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 祁立波;邹明松;;加肋圆柱体水下低频辐射声特性研究[J];船舶力学;2015年07期

2 丁科;王永生;魏应三;;推力轴承基座对艇体振动及其辐射噪声的影响(英文)[J];船舶力学;2013年03期

3 瞿叶高;华宏星;孟光;谌勇;龙新华;;基于区域分解的组合结构振动分析方法[J];上海交通大学学报;2012年09期

4 李攀硕;李栋梁;张志谊;;轴-壳体系统耦合振动的建模与分析[J];振动与冲击;2012年05期

5 谢基榕;徐利刚;沈顺根;吴有生;;推进器激励船舶振动辐射声计算方法[J];船舶力学;2011年05期

6 苏少卿;孟益平;王肖钧;;梁的载荷、内力微分关系推导方法的改进[J];力学与实践;2011年02期

7 陈美霞;和卫平;邱昌林;陈清坤;;力激励与声激励作用下圆柱壳声振性能试验[J];华中科技大学学报(自然科学版);2011年03期

8 朱仁传;郭海强;缪国平;余建伟;;一种基于CFD理论船舶附加质量与阻尼的计算方法[J];上海交通大学学报;2009年02期

9 张义民;张守元;李鹤;闻邦椿;;运行模态分析中固有模态和谐波模态区分方法研究[J];振动与冲击;2009年01期

10 易壮鹏;赵跃宇;朱克兆;;梁的纵向与横向耦合振动的动力学分析[J];应用力学学报;2008年04期

本文编号：2604246