带内部结构的水下加筋锥-柱-球组合壳声振耦合特性机理研究

The engineering practical problem of “Analysis of vibro-acoustic characteristics of submarines” is abstracted to the scientific problem of “Mechanism research on vibro-acoustic coupling characteristics of underwater stiffened combined conical-cylindrical-spherical shells（hereafter referred to as a combined shells） with interior structures”. The main work includes: (1) Research on vibro-acoustic response calculation method of the combined shells based on an analytical substructure method; (2) Research on vibro-acoustic response calculation method of the combined shells with interior structures based on a hybrid analytical and numerical method; (3) Analysis of vibro-acoustic coupling mechanism of the combined shells with internal structures, e.g. discontinuities, vertical or longitudinal excitations, influences of the coupling effect of the hull and interior structures on vibration and sound transmission; (4) Experimental analysis of vibro-acoustic characteristics of the combined shell with interior structures.. The present project provides a new idea of “Global Analysis” and new normative and high efficient analytical substructure method and hybrid analytical and numerical method, which can be easily used to study mechanism of vibration and sound transmission. The analysis methods with wave propagation, highlight model, modal radiation efficiency and some other technologies are adopted to investigate the vibro-acoustic coupling mechanism. Results of present project can be used in the following aspects: structure-borne sound design of submarines; research on vibro-acoustic coupling characteristics of coupled propeller-shaft-hull models; research on vibro-acoustic coupling characteristics of the hull and internal structures, which are great meaningful for both academic investigations and military applications.

从工程实际问题“潜艇结构声振特性分析”抽象出本项目研究的科学问题“带内部结构的水下加筋锥-柱-球组合壳（以下简称“组合壳”）声振耦合特性机理研究”。研究内容包括：① 基于解析子结构法的水下组合壳声振响应计算方法研究；② 基于解析/数值混合法的水下带内部结构组合壳声振响应计算方法研究；③ 带内部结构水下组合壳声振耦合机理研究，包含不连续结构、纵/横激励，内部结构与壳体强/弱耦合对组合壳声振特性影响分析；④ 带内部结构组合壳水下声振模型试验。. 本项目为潜艇结构声学特性研究提供“整体分析”新思想，建立了快速、规范、便于机理分析的“解析子结构”和“解析/数值混合”计算新方法，采用波传播、“亮点”模型、模态辐射效率等分析方法探索结构声振耦合机理，研究成果将为“潜艇结构声学设计”，“桨-轴-艇声振耦合特性研究”、“内部结构与艇体声振耦合研究”提供理论指导，具有重要的学术研究和军事应用价值。

加筋锥柱球作为潜艇的简化模型，其声振特性受到广泛的关注和研究，而带内部结构的潜艇模型研究成果则较少，为此本文对含内部结构加筋锥柱球组合壳声振响应计算方法进行了系统的研究。.首先对加筋锥柱球展开研究。将壳体在环肋、舱壁和激励力处断开，得到圆柱壳、圆锥壳、环肋和舱壁等子结构。壳体、环肋及舱壁的运动分别采用Flügge薄壳理论和圆环板方程来描述。圆柱壳、圆锥壳子段的位移函数分别采用波动法和幂级数法来表示，环肋和舱壁的位移则展开为Bessel函数叠加的形式。外部流场采用轴对称边界元法描述，构建壳体表面位移和声压之间的关系。结合不同子结构连接处的位移连续和内力平衡条件，并引入虚拟弹簧技术来处理边界条件，最终建立了加筋锥柱球的声振耦合方程。在此基础上，引入复杂内部结构，采用有限元法建立其动力学模型。壳体与内部结构通过虚拟弹簧进行耦合，完全考虑两者间6自由度耦合，可得到含内部结构组合壳声振耦合控制方程。进一步研究带桨-轴系统的组合壳模型。对于简单桨-轴系统，分别采用质量块、梁模型来模拟螺旋桨、轴系以及推力轴承基座。对于复杂桨-轴系统，则完全采用有限元法进行处理。结合桨-轴-基座-壳体之间的连续性条件，最终得到桨轴艇组合模型声振耦合方程。.结合解析子结构法和解析/数值混合法，研究带内部基座组合壳声振耦合特性及其内在机理。结果表明，舱壁和环肋的存在能显著降低壳体振动，并导致振动波型发生转换，但对声辐射影响较小。径向激励力下壳体振动声辐射明显高于轴向激励下的，且其振动主要由n=1~5振型群贡献，声辐射则主要由n=1~2贡献。而在纵向激励下，振动主要由n=0~1贡献，声辐射几乎完全由n=0贡献。基座对组合壳声振响应影响较小，仅造成了一定的峰值偏移。最后，设计并加工了带内部基座的加筋锥柱球组合壳，开展振动声辐射模型试验，试验结果验证了本课题提出的两种方法的有效性。本课题提出的计算方法兼有解析法的快速性与数值法的通用性，具有重要的工程应用价值。