基于近场动力学方法的船体结构中弹性波传播机理研究

The acoustic radation of ship hull structures is closely related with the vitality of ships. The vibration noise transmission in ship hull structures is wave propagation essentially. However, general methods of structure dynamic analysis can’t well reveal the mechanism of structural elastic wave propagation in ship hull structures. In our research, nonlocal theory is used for the hull typical plate and beam dynamics modeling. The method conform to the trend of numerical simulation developing. PD, SPH and spectral analysis methods are employed in our research for studying the wave propagation characteristics. The accuracy of simulation method is proved by theory analysis and model experiments with important factors confirming for the simulation method. Based on above analysis, the wave propagation mechanism including wave dispersion, energy dissipation, wave form transmission, wave reflection in more complex hull structures is explored. So the below content intend to be researched: 1) the wave propagation dynamics simulation model for ship hull structure; 2) the important factors in dynamics simulation models confirming; 3) the research on the wave propagation characteristics of complex hull structures.

舰船结构的声辐射与其生命力息息相关，振动噪声在船体结构中的传播本质上是一个波动问题，然而现有的舰船结构动力学分析方法尚不能很好地揭示结构弹性波在舰船结构的传播规律，因此本项目拟基于非局部理论，结合结构数值模拟的发展趋势，建立舰船典型板、梁、板架结构的动力学分析模型，采用近场动力学方法、SPH方法与频谱分析法对模型的波传播特性进行计算分析，并采用理论解析与模型实验验证求解方法的正确性并确定动力学模型中的重要参数，在此基础上，探索舰船复杂结构中包括频散特性、能量耗散、波形转换、波的反射等方面的波传播特性。本项目主要研究内容包括：1）船舶结构中波传播特性动力学模型建立；2）波传播特性计算动力学模型关键参数确定方法研究；3）船舶复杂结构波传播特性计算方法研究。

以振动理论模态叠加法为基础的有限元等数值分析方法在对船体结构进行动力响应分析时，回避了船体结构中弯曲波的频散现象，造成动力响应分析只重结果而不重过程，振动响应在结构中的传递特征不明。本项目首先从波动机理层面开展对结构弹性波传播特性的研究，建立了弹性波特性的近场动力学计算分析数学模型，针对船舶一维梁结构、二维板结构以及板架结构的弹性波频散特征开展了研究。其次针对船舶复杂结构中波动特性分析的关键性问题开展研究，分析如何在有限结构中设定合适的边界条件以使弯曲波波动能量在边界处全部消耗而不发生反射，研究得到了船舶典型结构的无反射边界条件，并以此分析复杂结构中的弯曲波的传播特性。最后开展了船舶典型板架结构试验研究，对船体板架结构存在的带隙特性进行了分析。得到主要结果如下：.1.在复杂板架结构的研究过程中，通过复杂板架弹性波分析发现，板架结构中的弹性波传播的非均匀性，这对以往以均匀结构为等效物理模型的弹性波分析方法提出了挑战，对未来复杂板架结构的弹性波分析起到了重要的理论支撑作用；.2.提出了板架结构无反射边界条件的施加方法，实现了弯曲波无反射边界条件的突破，这对未来基于数值方法开展的复杂结构弹性波计算无疑具有重要的意义，也为未来弹性波分析的试验技术的发展指明了方向，目前关键问题是弯曲波无反射边界条件依旧受板架结构的弯曲波频散特性限制，因此只能实现单一弯曲波的无反射；.3.获得了舰船板架结构参数对带隙特征影响的重要试验数据，为未来基于带隙理论开展的舰船结构声学设计起到了重要的支撑作用。