水下含吸声层和传感层ACLD旋转壳多场耦振与声控分析的建模、解法及最优控制研究

研究水下含多孔吸声层和压电传感层ACLD旋转壳的声振控制问题，对潜艇隐身技术的发展有重要意义。由于其复杂性，不仅涉及力、电、流多场耦合，且要考虑变曲率和多孔介质的影响，以往研究多限于用FE/BE方法，对象也多是讨论由基壳、粘弹层与压电约束层组成的三层壳体。前者因离散误差不适合分析中高频段激励；后者因缺少吸声层，降噪性能不理想。为了能在较宽频段内揭示上述壳体的声控特性，如能采用解析法或半解析法是最佳选择；另外，实践证明应用含吸声层和传感层的多层ACLD结构是大幅度降低水下噪声的有力途径。然而对多层ACLD旋转壳实现半解析解法，难度很大。本项目正是试图克服困难，针对含吸声层和传感层的ACLD旋转壳，研究水下声振的建模、求解新方法和最优控制问题。从计算精度和效率考虑，首先力求创建一套全新的半解析法。进而利用现代控制理论与手段，通过数值计算和模型实验，探索全频段内如何实现最好的减振降噪与控制效果。

研究水下含多孔介质吸声层和主（被）动约束层阻尼旋转壳的声振控制问题，对潜艇隐身技术发展有重要意义。由于涉及力、电、流多场耦合，且结构非常复杂，现有文献均采用位移假设对模型进行简化，因此，适用范围受到一定限制，研究对象也多局限于二层或三层的简单复合壳体。对同时含多孔介质吸声层和主（被）动约束层阻尼的多层复合壳体的建模和求解尚未提出有效方法。本项目建立了一种全新的水下含多孔介质吸声层和主（被）动约束层阻尼旋转壳的声振模型，并提出了一套高效稳健的数值计算方法，可在较宽频段内分析结构的减振降噪效果。项目所取得的主要成果为：1. 采用经典板壳理论和Biot理论，建立了一种含流多孔介质旋转壳的全新理论模型，并将其控制方程写成一阶常微分矩阵方程的形式。由于对流体介质的位移未作任何假设，且考虑了流体和固体骨架间的耦合作用，该模型具有很高分析精度和较宽适用范围，实验结果验证了模型的有效性。同时，提出了一种求解一阶常微分矩阵方程的高精度数值算法——精细元法。因为避免了传递矩阵连乘所产生的传递误差，该方法在中高频段都具有很高的精度和稳定性，是分析旋转体动力学问题的一种有力手段。2. 结合复数矢径波叠加法和二维快速Fourier变换算法（2D-FFT）建立了一种求解轴旋转空穴外声场问题的快速算法。该算法能有效克服解的非唯一性问题，且采用2D-FFT算法计算振荡积分，在中高频段都有很高的精度和稳定性，相对于传统的求解方法，其计算效率提高了数十倍甚至数百倍。在此基础上，提出了一种基于多球域波叠加法的声场重建（声全息）方法，大幅降低了由于测量面（全息面）与虚拟源强配置面不共形所造成的系数矩阵病态，有效改善了不适定性问题。通过对受控体所产生声场进行高效重建，并以此作为压电层的反馈参考量，实现了较以往采用单点或多点控制策略更优的控制效果。3. 结合多孔介质吸声层、主（被）动约束层旋转壳和基壳的控制方程，并利用交接处的连续性条件和叠加原理，提出了一种分析多层复合旋转壳声振特性的数值方法。该方法不需导出层间作用力和位移的具体形式，只须将各自的控制方程利用连接条件与相邻结构进行叠加计算，原理简单、实施方便，对结构的层数没有任何限制，非常适合于多层复杂结构的求解。4. 利用所建模型和算法，对水下含多孔介质吸声层和主（被）动约束层阻尼旋转壳的声振特性进行了仿真计算，研究了材料参数、结构参数等对声振特性的影响。