文摘

潜艇的水下声辐射功率小屋最近已成为一个热点话题在业界和学术界。在这篇文章中,振动和双层加肋锥壳的水下声辐射基地调查数值通过结合有限元方法和边界元法。声辐射场是通过传统的声场模型和ISO声场模型,分别。一系列数值示例,结果比较。此外,不同位置的声压与频率进一步研究。结果表明,结构的声辐射主要传播壳侧方向的传播相对较少的正面和背面的一面。

1。介绍

固耦合柔性结构是一种常见的现象在工程和自然环境(1,2]。一般来说,水面舰艇和潜艇属于柔性结构。小屋,位于船尾,直接决定了整个船的声振特性和水平。因此,以严厉的耦合分析声学隐形的发展具有重要意义。在物理的应用,研究人员和学者通常认为斯特恩双层加肋锥壳和潜艇的声振问题进行了丰富的研究(3- - - - - -5]。

引起的结构振动声辐射。然而,流体介质中的结构振动是完全不同于在空气或真空。除了结构本身的振动,有一个结构和流体介质间相互作用。结构是兴奋产生振动时,振动边界可能压缩周围的流体使振动以波的形式向外传播,即。声辐射。与此同时,周围的液体会发生的振动结构辐射强迫和行动,这叫做声学结构耦合问题[6,7]。潜艇的水下声辐射发生在复杂的环境中与结构振动和水介质的相互作用。邹et al。1)指出,属于强耦合的交互问题,它不能被忽视。因此,水下声辐射问题,声学结构耦合效应必须被考虑。

一般来说,定期对一些形状的结构,如板、圆柱壳,球壳,等等,声学结构耦合问题分析解决方案是可用的,而对于大多数弹性结构,数值模拟是唯一的方法,计算振动声辐射诱导的表面结构。两个基本数值方法用来处理声学问题。一个是声学有限元法(FEM) (8,9]。另一个是声学边界元方法(BEM) [1,10,11]。刘等人。12]研究了动态响应及声辐射blade-shafting-shell耦合系统的非定常激励下操作。blade-shafting-shell耦合的动态和声学实验系统进行了。结果验证了仿真模型的准确性。瞿et al。13)研究的结构和声学响应耦合propeller-shafting-submarine耐压壳体系统在不同励磁的螺旋桨力量。最后,计算结果与解决方案得到的耦合有限元/边界元。环和轴承刚度的影响的声学反应耦合系统进行了讨论。邹et al。14)建立了一个三维结构的水下声辐射计算方法任意由声船舶涂料基于三维sonoelasticity理论(1,2]。作为一个例子,平板的声辐射的声涂料是数值计算并与分析结果,验证了该方法的正确性。此外,一系列的结果与部分声涂料提出了圆柱壳结构,显示该方法在工程实践的兴趣。

因此,本文的主要目的是研究不同声场声压级获得的模型。通过分析和量化不同位置的声压级声源的声辐射的空间分布规律,从而为潜艇的声隐身性能提供参考。

2。有限元模型及相关参数

2.1。声学有限元法

有限元法被广泛用于调查圈地声学特征。根据亥姆霍兹方程,声场的积分表达式可以写成

经过一系列的分析和公式,我们有

方程(2)由四个部分组成,第一项可以表示为在左边 在哪里K刚度矩阵。

第二项左边的方程(2)可以表示如下: 在哪里米质量矩阵。

右边第一项的方程(2)可以表示如下: ,{问我}是声学激励。

右边第二项可以表示如下: 在哪里C阻尼矩阵。

声学系统的动力学方程得到方程(4),(6),(8)和(10)方程(2)。

亥姆霍兹的解决方案在物理空间将得到解决上述方程。

2.2。相关的参数

FEM / BEM提出方案,LMS虚拟。应用实验室建立有限元模型并进行模态分析。双层加肋锥壳模型与一个基地是建立和图所示1(一),选择钢作为材料,密度、泊松比、弹性模量和损耗因子是7800公斤/米3分别为0.001,0.3,210 GPa,。整个基地主要由肋板,板,和一个网络,如图1 (b)。列出了主要维度和相关参数表1。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
有限元模型。双层加肋锥壳(a)。(b)基地。
表1
主要尺寸和相关参数。

结合有限元方法和边界元用于水下双层加肋锥壳以耦合的分析研究。使用的计算机硬件技术规范进行本文的数值模拟是英特尔酷睿i5 - 9400 f CPU与8 GB RAM。探讨壳结构之间的耦合效应和外部流体介质,水的有限元模型( = 1000公斤/米3)是由声学有限元四面体网格的大小10 m×10 m×10米,如图2。壳层结构的中间部分被删除。位于中部的锥壳建立流体介质的结构有限元四边形网格。此外,锥壳的内部被认为是真空。


图2
流固耦合有限元模型。

3所示。水下双层加肋锥壳的振动与声辐射

3.1。在真空振动模态分析

在声辐射分析之前,有必要获得真空的模式结构。结果呈现在图3。结果表明,第一阶振动主要发生在壳,和振动的振幅很小。大的径向振动只发生在网络边缘的基地。此外,最后six-order振动主要发生在基地,结果从网络和肋板的振动,和第一阶振动的振幅更大比。

(一)
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(b)
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(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
(g)
(g)
(h)
(h)
图3
在真空双层加肋锥壳模态的形状。(一)第一顺序。(b)二阶。(c)第三顺序。(d)第四秩序。(e)第五秩序。(f) 6日秩序。(g)第七届秩序。(h) 8日秩序。
3.2。建立声辐射模型

在本节中,双层加肋锥壳系统的声学分析,和结构的声辐射场在不同的频率进行了研究。板上的正弦激振力通常是实施的基础与100 Pa的振幅。声场模型是建立在xoy和yoz大小的飞机,分别长20000毫米×20000毫米宽。锥壳的中心轴相交的两个字段是一致的。此外,根据ISO标准,还建立了ISO声场模型。模型如图4。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
的声场模型和结构。(一)平面声场模型。(b) ISO声场模型。
3.3。从不同的声场模型结果与讨论

由于网格的有限元法的本质和限制,2970赫兹的频率将达到计算机的计算能力的极限。因此,从50赫兹到2950赫兹频率范围,和步骤是50赫兹。图5介绍了声压级的分布(dB)对应于不同频率xoy飞机。很明显,周围的声辐射场需要对称分布的中心轴xoy飞机。最大的辐射声压发生区域两边的结构,和前面的声压shell第二,和背后的一个壳达到最小值。这一趋势随着频率的增加变得越来越明显。此外,频率越高,越声辐射场的叶,波形变得越复杂。这表明模态形状越来越复杂随着频率的增加。双层加肋锥壳的声场辐射主要传播双方和接近的基地。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图5
在不同频率的声波辐射场xoy飞机。(一)50赫兹。(b) 1000 Hz。(c) 2000 Hz。(d) 2950 Hz。

图6介绍了分布的声压级yoz飞机。总的来说,分布yoz飞机是相似的xoy飞机。然而,由于源在外壳底部,声辐射场不对称,外壳下的声压比高于壳。相比之下,声压级的xoy面,下面的声压,高于壳大于每一方在同一频率。因此,可以看出,双层加肋锥壳的声音辐射在上下两个方向进一步传播。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图6
在不同频率的声波辐射场yoz飞机。(一)50赫兹。(b) 1000 Hz。(c) 2000 Hz。(d) 2950 Hz。

为了验证上述结论,ISO声场的声压级分布在不同频率计算并显示在图6,它显示了声压的分布在同一结构的距离。下面的声压,高于壳大于其它方向,和周围的声压船尾结构达到最小值。正如前面所讨论的那样,主要传播声音,这进一步证实了图7。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图7
声辐射场在不同的频率根据ISO标准。(一)50赫兹。(b) 1000 Hz。(c) 2000 Hz。(d) 2950 Hz。
3.4。声压与频率和位置的变化

声压频率在不同位置的变化进一步研究,从而提供更有说服力的证据。六个样本点在两个领域xoy飞机和yoz选择平面分析声压级,如图8。图9介绍了六场的声压级分。显然,声压级的变化与波动的频率处于一个相对稳定的状态。点的声压c是最大的,点的声压吗一个第二,和点的声压b是最低的。因此,我们可以得出结论,壳牌的声辐射主要传播双方,和前面的声压大于壳,在壳牌的后面xoy飞机。此外,尽管点f离壳,点的声压吗f是最低的,而点的声压吗d和点e几乎是相同的。这也表明,在上下两个方向声压比前面的外壳。


图8
六个样品分平面声场。
(一)
(一)
(b)
(b)
图9
声压级六个监视点的频率。(一)xoy飞机。(b)yoz飞机。

4所示。结论

声振响应的数值分析双层加肋锥壳是一个典型的由使用LMS Virtual.Lab。吸引一些结论如下:(1)第一阶振动主要发生在壳,和振幅小。最后six-order振动主要发生在基地,由于网络和肋板的振动,和第一阶振动的振幅更大比。(2)声压级分布的平面声场模型得到的是一样的ISO的声场模型。结构声辐射的主要传播壳侧方向的传播相对较少的正面和背面。随着频率的增加,叶的声辐射场变得越来越波形变得复杂。(3)虽然有些规则,本文得到的结论可以为分析提供一种有效的工具双层加肋锥壳的水下声辐射,将来所需的物理模型实验进一步验证。

数据可用性

所有的数据、模型和代码生成或使用在研究可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者承认金融支持中国的国家自然科学基金(批准号U2006229)和山东省的关键研究和发展计划(批准号2019 jzzy010125和2020 cxgc010701)。