船舶結(jié)構(gòu)噪聲截?cái)嗄Ｐ蛿?shù)值預(yù)報(bào)方法研究.pdf

1、為保障船舶具有良好的水下安靜性，在船舶設(shè)計(jì)及建造階段開展船舶結(jié)構(gòu)水下噪聲特性預(yù)報(bào)評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)噪聲設(shè)計(jì)存在的問題就變得十分重要；為此，國(guó)外海軍強(qiáng)國(guó)投入大量人力物力開展船舶結(jié)構(gòu)水下噪聲預(yù)報(bào)、評(píng)估的相關(guān)研究，形成了船舶結(jié)構(gòu)水下噪聲預(yù)報(bào)評(píng)估的系列方法，如解析法、工程估算法、數(shù)值計(jì)算方法等。解析法適用于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)(如圓柱殼等)的水下噪聲預(yù)報(bào)，當(dāng)結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜時(shí)解析法將很難勝任；工程估算法可用于相似船型的水下噪聲預(yù)報(bào)，但當(dāng)預(yù)報(bào)船舶與母型船存在較

2、大差異時(shí)，工程估算法將導(dǎo)致較大誤差；數(shù)值計(jì)算方法，特別是有限元法、邊界元法、FEM/BEM法、統(tǒng)計(jì)能量法數(shù)值計(jì)算方法的出現(xiàn)，為船舶結(jié)構(gòu)水下噪聲預(yù)報(bào)提供了豐富的研究手段，但由于船舶結(jié)構(gòu)水下聲輻射的復(fù)雜性，船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)，特別是船舶結(jié)構(gòu)水下中低頻噪聲預(yù)報(bào)仍存在諸多基礎(chǔ)性、機(jī)理性問題需要解決。
　　 為此，本文首先對(duì)船舶結(jié)構(gòu)水下噪聲預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，系統(tǒng)闡述了船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展概況，分析了船舶結(jié)構(gòu)水下噪聲預(yù)報(bào)存在的基礎(chǔ)

3、性問題及船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)的難點(diǎn)。分析表明：由于船舶結(jié)構(gòu)水下聲輻射涉及流固聲耦合、固液聲氣耦合等多種作用，其噪聲預(yù)報(bào)異常困難，現(xiàn)有船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)在船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值分析方法、設(shè)備對(duì)船體的激勵(lì)載荷計(jì)算方法、船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)模型的簡(jiǎn)化方法等研究方面仍存在一定不足。針對(duì)上述問題，本文以船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)工程需求為牽引，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)水下中低頻噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)方法進(jìn)行研究，重點(diǎn)討論了船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)的截?cái)嗄Ｐ皖A(yù)報(bào)原理、設(shè)備對(duì)船體的激勵(lì)載荷、

4、船舶結(jié)構(gòu)聲學(xué)艙段截?cái)嗄Ｐ偷暮?jiǎn)化、船舶結(jié)構(gòu)噪聲分析的時(shí)頻綜合預(yù)報(bào)法及無限元法等基礎(chǔ)性問題；在此基礎(chǔ)上，初步形成了船舶結(jié)構(gòu)噪聲截?cái)嗄Ｐ皖A(yù)報(bào)的系統(tǒng)化方法，并結(jié)合水面船舶及水下航行器噪聲預(yù)報(bào)實(shí)際，探索了船舶結(jié)構(gòu)噪聲截?cái)嗄Ｐ皖A(yù)報(bào)方法的可行性，初步分析了水面船舶及水下航行器結(jié)構(gòu)的水下聲輻射特性，旨在為船舶結(jié)構(gòu)噪聲定量預(yù)報(bào)及相關(guān)研究提供方法依據(jù)。
　　 針對(duì)船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)存在計(jì)算規(guī)模大、求解效率低、預(yù)報(bào)頻段窄等弊端，從鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理出發(fā)

5、，提出船舶結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的截?cái)嗄Ｐ头椒?，?jiǎn)化船舶結(jié)構(gòu)的建模工作；結(jié)合結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)原理，給出船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)的流場(chǎng)截?cái)喾椒?；在此基礎(chǔ)上，提出船舶結(jié)構(gòu)噪聲截?cái)嗄Ｐ偷臄?shù)值計(jì)算方法，以減小船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)的計(jì)算規(guī)模，提高其求解效率及預(yù)報(bào)頻率；艙段結(jié)構(gòu)水下輻射噪射預(yù)報(bào)算例表明：模型截?cái)囝A(yù)報(bào)方法可有效降低船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)的計(jì)算規(guī)模，避免因設(shè)備建模等因素導(dǎo)致的數(shù)值計(jì)算誤差，提高船舶結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)的頻率，特別是在含有大量設(shè)備的船舶結(jié)構(gòu)水下中低頻噪聲預(yù)報(bào)

6、方面具有較大應(yīng)用潛力，截?cái)嗄Ｐ陀?jì)算方法可有效降低船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)的計(jì)算規(guī)模、提高其預(yù)報(bào)頻率及求解效率。
　　 針對(duì)船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)的輸入-設(shè)備激勵(lì)載荷-進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析了設(shè)備對(duì)船體激勵(lì)載荷的計(jì)算方法?；谠O(shè)備內(nèi)源特性不變及參數(shù)識(shí)別理論，提出設(shè)備內(nèi)源特性臺(tái)架試驗(yàn)識(shí)別方法，由此建立設(shè)備臺(tái)架試驗(yàn)到實(shí)船設(shè)備激勵(lì)載荷的轉(zhuǎn)換方法；基于設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)機(jī)理，提出設(shè)備對(duì)船體結(jié)構(gòu)激勵(lì)力的簡(jiǎn)便計(jì)算方法；基于力邊界與運(yùn)動(dòng)邊界的統(tǒng)一性原理，提出

7、運(yùn)動(dòng)邊界相似法，解決設(shè)備激勵(lì)載荷為振動(dòng)加速度級(jí)形式不易在數(shù)值計(jì)算中施加的困難，并經(jīng)算例驗(yàn)證，證明了運(yùn)動(dòng)邊界相似法的有效性，解決船舶結(jié)構(gòu)噪聲截?cái)嗄Ｐ皖A(yù)報(bào)的載荷輸入問題。
　　 在船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)模型簡(jiǎn)化方面，基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析及聲輻射理論，提出以局部艙段模型代替整船模型進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)的船舶結(jié)構(gòu)噪聲艙段截?cái)嗄Ｐ头椒?行波法，并對(duì)其適用條件進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了船舶結(jié)構(gòu)噪聲截?cái)嗄Ｐ皖A(yù)報(bào)的進(jìn)一步簡(jiǎn)化；通過圓板結(jié)構(gòu)水下聲輻射截?cái)嗄Ｐ?，?yàn)證了

8、船舶結(jié)構(gòu)噪聲艙段截?cái)嗄Ｐ头椒ǖ挠行?，解決了以局部艙段代替整船模型進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)的困難。
　　 針對(duì)現(xiàn)有船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)存在求解效率低、無法考慮非線性因素、不能計(jì)及船舶結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)與高頻波動(dòng)耦合影響因素的困難，提出船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)的時(shí)頻綜合預(yù)報(bào)法，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值驗(yàn)證；研究表明：時(shí)頻綜合預(yù)報(bào)法不僅可解決現(xiàn)有船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)存在的上述困難，還可針對(duì)關(guān)心頻點(diǎn)噪聲進(jìn)行詳細(xì)分析，以確定關(guān)心頻點(diǎn)船舶結(jié)構(gòu)噪聲主導(dǎo)傳遞分量及主導(dǎo)傳遞途徑

9、，可為船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)、評(píng)估及噪聲治理提供快速支持。針對(duì)船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)模型外流場(chǎng)域截?cái)嗉坝蛲膺h(yuǎn)場(chǎng)聲輻射存在的問題，提出聲學(xué)無限元法應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)模型，以降低模型計(jì)算規(guī)模、提高其計(jì)算精度，實(shí)現(xiàn)域外遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射的快速預(yù)報(bào)。
　　 最后，在前述研究基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)，初步形成船舶結(jié)構(gòu)噪聲截?cái)嗄Ｐ皖A(yù)報(bào)的系統(tǒng)化方法，規(guī)范船舶結(jié)構(gòu)噪聲截?cái)嗄Ｐ皖A(yù)報(bào)流程；并結(jié)合水面船舶及水下航行器結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報(bào)實(shí)際，給出船舶結(jié)構(gòu)噪聲截?cái)嗄Ｐ皖A(yù)報(bào)方法實(shí)際應(yīng)用