面向潜艇结构声学设计的复杂圆柱壳耦合结构水下声辐射机理研究

Cylindrical structures are important models of submarine hulls. Owing to the concern about acoustic stealth, the underwater acoustic characteristics of cylindrical structures have been broadly discussed. A lot of research can be found predicted acoustic behaviors of underwater cylindrical structures with the help of developed numerical methods. Although numerical models can capture detailed structural features, their results are strongly dependent on inputs and parameters which result in a loss of generality. Regarding the theoretical analysis, analytical solutions are valid for simply-supported cylindrical shells under thin shell assumptions and the results are incompatible with material and structural complexities. To reach a compromise between complexity and generality, this project plans to conduct a semi-analytical analysis of structural dynamics and an analytical analysis of underwater acoustics. More specifically, this project prepares to investigate the underwater vibration & acoustic behaviors of complicated cylindrical structures through combining eigenvalue characteristics of the sound impedance matrix which is derived analytically and vibration response which is obtained by a semi-analytical Spectro-Geometric Method. Correspondingly, the relationship between design parameters and underwater sound radiation characteristics of complicated cylindrical structures could be established and the completion of this project could provide clear insights and reliable basis for the acoustic design of submarine structures.

圆柱壳结构作为潜艇壳体的主要近似模型，其水下声辐射特性一直是研究热点。目前对复杂结构水下声辐射的数值预报技术已趋近成熟，但基于求解域离散的数值计算模型难以给出设计参数与圆柱壳声辐射之间的一般性关系，而解析研究仅限于薄壳及简支边界假设下的单层圆柱壳、不具备兼容结构及材料复杂性的能力，机理性理解及解析支撑的缺乏严重制约了潜艇结构声学设计研究的开展。本课题旨在建立求解复杂圆柱壳耦合结构水下声辐射的振动场半解析-水下声场解析模型，通过采用参数化动力学建模方法，探究圆柱壳材料及内部结构参数改变对圆柱壳振动特性的影响机理；通过对圆柱壳辐射抗矩阵的解析求解，揭示附加水质量的作用机制；进一步依据圆柱壳声辐射模态特征，建立结构设计变量与复杂圆柱壳水下声辐射能力之间的一般性关系，为潜艇结构声学设计提供清晰可靠的理论依据。

潜艇壳体水下动力学及声学行为复杂，影响参数众多。有限元分析方法虽能给出关于振动及噪声的预测结果，但难以给出振动传递及振声转化机理。基于此，本研究在保留圆柱壳参数与结构的复杂性基础上，建立设计参数与复杂圆柱壳耦合结构水下声辐射之间的一般性关系，提供关于水下声辐射特征机理性理解并给出面向潜艇结构声学设计的指导性建议。.通过本项目的研究，建立了一种通用的求解复杂圆柱壳结构水下声辐射的振动场半解析-水下声场解析方法。建立了包含刚体、隔振系统、平板-圆柱壳耦合结构、加纵肋-环肋圆柱壳等的子结构模型库。在探讨耦合结构振动传递特性的基础上，从圆柱壳的声辐射模态入手，得到圆柱壳声辐射的有效模式，形成了复杂圆柱壳耦合结构声辐射特性的一般性评价体系。通过应用该体系探讨了圆柱壳耦合结构材料属性、边界条件、激励形式、内部耦合结构及子结构参数等对圆柱壳耦合结构声辐射特性的影响，给出了圆柱壳耦合结构的声学设计指导性原则。此外，本研究通过推导圆柱壳辐射声抗矩阵并进行特征值分析，给出了以圆柱壳结构真空中固有频率及模态振型估算浸水模态固有频率的计算方法及表达式，该渐进解可节省大量有限元计算时间，并具有较高的准确性。本研究完成了振动及声辐射测试，试验结果与仿真结果获得了较好的吻合，验证了本研究方法的有效性及准确性。