（水声工程专业论文）水下复杂弹性壳体的相似性研究.pdf

哈尔滨工程大学褥论文棚似理论在水声工程皮用中的可靠性问题，在撼似理论中提燃了“ 提似蕊数( 参数) ”的概念，并对物理参数的自相似性进行研究，因为不同的相似条 孛对结掇豹振凌窝声辐袈熬颈浏彗采影嚼不露，研究务糖经参数弱燹敏瞧怒很有必要的。本文研究了相似理论中的边界效应和尺寸效应对相似预测结果的影响，为避免透秀效应帮尺寸效瘛对耩似结果的影响提供了理论依据，并把总体旁证法和局部旁证法弓l 入到水声学相似性的可靠性研究中。依据本文攘导出的相似条件，设计和加工了三个试验模黧来验证理论结果。试验结果表明：本文褥剃夔提似条孛霸担l 羰关系黪正确性，也诞明了有限元预测系数法的正确性和可行性，并显示了相似关系不受流体负载影响的瞧矮。总之，采用相似模型试验来研究水下大型结构的搬动和声辐射，一方蕊可戳研究承下大型结构的振动和声辐射规律并安现嗓声预报，另一方面可戳开发和验证水下大型绩构的减振降噪技术，劳能为水下大型终构的设计提供优化方案。因此本文的研究艇有重要的现实意义。关键词：有限元；统计能量分析；相似理论：有限元预测系数法；振动：耦舍掇动；声辐莉；穗嵇可靠缝水下复杂弹性壳体的相似性研究a b s t r a c tt h i sr e s e a r c hw a ss p o n s o r e db ys p e c i a lr e s e a r c hf u n df o rt h ed o c t o r a lp r o g r a mo fh i g h e re d u c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h es i m i l i t u d et h e o r yi sa p p l i e di nt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i ce n g i n e e r i n g t h ev i b r a t i o na n ds o u n dr a d i a t i o no fu n d e r w a t e rc o m p l e xe l a s t i cs h e l l - s t r u c t u r ea r es t u d i e db yt h es i m i l i t u d em o d e le x p e r i m e n t t h i sk i n do fm e 也o dn o to n l yc a np r e d i c tt h ec h a r a c t e ro fv i b r a t i o na n ds o u n dr a d i a t i o no fu n d e r w a t e rc o m p l e xe l a s t i cs h e l l - s t r u c t u r eb u ta l s oc a l lg i v es o m eh e l p f u la n du s e f u li n f o r m a t i o nf o rt h eo p t i m i z e dd e s i g na n dn o i s ec o n t r o lo ft h eo n e u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n ds i m i l i t u d et h e o r y , t h es i m i l a rr e l a t i o n s h i p sa n dc o n d i t i o n so fv i b r a t i o n 、c o u d l i n gv i b r a t i o na n ds o u n dr a d i a t i o no ft h er i n g - s t i f f e n e dc y l i n d r i c a ls h e l lw i t hh e m i - s p h e r i c a lc a p so nt h ee n d sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r w h e nt h em a t e r i a lo fp r o t o t y p ea n dt h ef l u i da r o u n di ta r es a m ea so n e so fi t ss c a l e d - d o w nm o d e lt h es i m i l a rr a t i o no fm o d a lf r e q u e n c yb e t w e e nt h eu n d e r w a t e rc o m p l e xs h e l l - s t r u c t u r ea n di t ss c a l e d - d o w nm o d e li si n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt ot h es i m i l a rr a t i oo ft h e i rg e o m e t r i cp r o p e r t i e s a n dt h em o d a lt y p eo fp r o t o t y p ei sa ss a m ea so n eo fi ts c a l e d - d o w nm o d e lm e a n w h i l e t h e i rs i m i l a rr e l a t i o n s h i p sc a nn o tb ec h a n g e db yt h ef l u i dl o a d i n g w h e nt h eg e o m e t r i c a ls i m i l a rc o n d i t i o n sb e t w e e np r o t o t y p ea n dt h e i rs c a l e d - d o w nm o d e la r es a t i s f i e d ，t h er a d i a t i o ne f f i c i e n c ya n dt h ed i r e c t i v i t yo fs o u n dp r e s s u r ei n f a rf i e l df o rt h ep r o t o t y p ea r ee q u a lt oo n e so fi t ss c a l e d - d o w nm o d e lr e s p e c t i v e l y i nt h i sp a p e r , t h es t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ( s e a ) a n dt h es i m i l i t u d et h e o r ya r ea p p l i e dt or e s e a r c ht h es i m i l i t u d eo fv i b r a t i o n 、c o u p l e dv i b r a t i o na n ds o u n dr a d i a t i o no fu n d e r w a t e rc o m p l e xs h e l l - s t r u c t u r e ，t h es i m i l i t u d ec o n d i t i o n sa n dr e l a t i o n s h i pw i t ht h es t a t i s t i c a lc h a r a c t e ra r ep r e s e n t e d w h e nt h em a t e r i a lo fp r o t o t y p ei st h es a m ea so n eo fi t sm o d e l , a n dt h eg e o m e t r i c a ls i m i l a rc o n d i t i o n sa r es a t i s f i e d ，t h er a d i a t i o nl o s sf a c t o ro fp r o t o t y p ei se q u a lt oo n eo fi t sm o d e l n a m e l y , t h ec o u p l i n gl o s sf a c t o rb e t w e e ns u b s y s t e m si nt h ep r o t o t y p ei se q u a lt ot h ec o r r e s p o n d i n go n eo fi t sm o d e l t h ep r e d i c t e dp r o j e c tt h a tt h ev i b r a t i o n 、c o u p l i n gv i b r a t i o na n ds o u n d1 1 1哈尔濮工程大学博士论文r a d i a t i o no fp r o t o t y p ea r ep r e d i e t e db yo n e so fd i s t o r t e ds c a l e d d o w nm o d e la r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r 羽bp r e d i c t e dc u r v ea n dc u r v e f i t t i n ge q u a t i o na r ed e r i v e db yt h ep r e d i c t e dc o e f f i c i e n tm e t h o do ff e mf o rt h ef i r s tt i m e o nt h eb a s i so ft h e s ep r e d i c t e dc u r v e sa n dc u r v e - f i t t i n ge q u a t i o n , t h ec h a r a c t e r so fv i b r a t i o na n ds o u n dr a d i a t i o nc a nb ep r e d i c t e de a s i l y ,t h er e l i a b i l i t yo fs i m i l i t u d et h e o r yw h i c hi sa p p l i e di nt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i ce n g i n e e r i n gi sa n a l y z e da tl e n g t h t h en o n - s i m i l a rf u n c t i o no rp a r a m e t e ri sd e f i n e di nt h i sp a p e r t h cs e l f - s i m i l i t u d eo ft h ep h y s i c a lp a r a m e t e ri ss t u d i e da n dt h es e l f - s i m i l i t u d es e c t i o ni se s t a b l i s h e dr i g h t l y i nt h ee n d t h es c a t ee f f e c ta n db o u n d a r ye f f e c ti nt h es i m i l i t u d em o d e le x p e r i m e n ta r er e s e a r c h e d 。a c c o r d i n gt ot h e s er e s u l t s ，t h ei n f l u e n c eo fs e a l ee f f e c ta n db o u n d a r ye f f e c to nt h ep r e d i c t e dr e s u k so fp r o t o t y p ec a l lb ea v o i d e do rb er e d u c e d o nt h eb a s i so ft h e s es i m i l a rc o n d i t i o n s ，t h r e ee x p e r i m e n t a lm o d e l sa r ed e s i g n e da n dm a d e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg o o da g r e e m e n tw i t ht h e o r e t i c a lr e s u k s ，a n dt h es i m i l a rr e l a t i o n s h i p sa r ev e r i f i e db yt h i ss i m i l a re x p e r i m e n tb e t w e e np r o t o t y p ea n di t ss c a l e d - d o w nm o d e l 1 糯es i m i l k u d em o d e le x p e r i m e n tm e t h o dn o to n l yc a np r e d i c tt h ec h a r a c t e ro fv i b r a t i o na n ds o u n dr a d i a t i o no ft h eu n d e r w a t e rb i g s c a l es h e l l - s t r u c t u r eb u ta l s oc a ng i v es o m eh e l p f u la n du s e f u li n f o r m a t i o nf o rt h eo p t i m i z e dd e s i g na n dn o i s ec o n t r o lo ft h eu n d e r w a t e rb i g s c a l es h e n - s t r u c t u r e s ot h es t u d yo ft h i sp a p e rh a sv e r yi m p o r t a n ts i g r d 基c a n c ef o rt h ea p p l i a n c ei nt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i ce n g i n e e r i n gf i e l d k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ( s e a ) ；s i m i l i t u d et h e o r y ；t h ep r e d i c t e dc o e f f i c i e n tm e t h o do ff e m ；v i b r a t i o n ；c o u p l i n gv i b r a t i o ns o u n dr a d i a t i o n ；r e l i a b i l i t yo fs i m i l i t u d ei v哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者( 签字) ：l 三堕!日期舻年牛月z f 日第1 章绪论第1 章绪论1 1 引言从自然界的籁籁之声，到人类赖以交流思想的语言和音乐，我们生活在一个充满声音的世界里，人们之间通过声音传递着各种各样的信息、研究和识别周围的环境。然而，并非所有的声音对我们都是有益的，有些声音则对人体有害，并且干扰通讯、引起结构系统中的设备元件振动，导致设备元件疲劳破坏等。我们把这种不和谐、不需要的声音称为噪声。因此，通过对噪声的研究，可以达到对噪声的控制和消除。在工程设备的噪声中主要是机械噪声，机械噪声是由结构运动部件在运转中的振动、碰撞、冲击等原因引起的，它以振动波的形式在结构中传播，并传至与之连接的其它结构，引起结构振动并向周围辐射噪声。对于水中作战武器舰艇、潜艇、鱼雷等来说，剧烈的振动及噪声会恶化环境质量，影响战士的工作效率和健康，造成设备的疲劳破坏，影响武器系统性能的正常发挥；同时，过大的振动和噪声会降低水中作战武器的隐蔽性，自身的安全性受到严重的威胁。因此，水中结构振动和噪声的控制是水声工程所关注的问题。如果能提出一套准确预测水下大型结构的振动和声辐射特性的方法，以及能够为降低水下大型结构的振动和声辐射而提出优化设计方案，那么此方法将会对水下大型结构的振动和声辐射的深入研究创造条件，而且对国防建设事业具有重要的意义。1 2 水下结构振动与声辐射研究方法及研究现状概述对水下弹性结构体与水介质的耦合振动及其声场特性的预报是一个十分复杂、综合性的问题，涉及到结构的弹性振动、声学和结构与水介质的耦合振动等多方面的理论知识和计算技术。因为水下弹性结构受激励振动在可压缩流体介质中产生声场，同时声场又对结构产生反作用力。因此，需要求解水下结构体振动和声场的耦合振动方程来了解结构体的振动及其声辐射的特性。而对其研究的方法也多种多样，按类型可以分为：数值计算法，如有限元法、有限元+ 边界元法、模态分析技术、波动理论等；能量法，如统计能量分析、功率流法等；相似试验法，如相似模型试验等。硷零滨王糕大学簿士论义根撼磅究对藩的渤态特髓和频攀特性确定娣辨方法最有效是非常重要麓。波镪壤论试为；结构受蓟势莠爨力翡俘焉掰臻起振韵，藏动波在结构巾建接，遇测爨嚣澎戏缀慰，入簿事波嚣反射波藕合麸瑟建立豢澄。一般来说，波动理论通常作为一种数学工具使用；目前工程领域应用较广泛的悬有限元法、蠢鼷嚣+ 边器元法、搂泰努辑技术等，这类方法在馁颓弱子实凌著羹精度较高，但是随着频辩的增高，它们的计算量就会越来越大，寄时罄至啦予实糯，缭工程应用带来一定的困难 统计能量分析的优点和嵌处恰恰就是计算结构的蠢频振动，统计憨爨分砉簿瀚重要糁援麟怒把摄瀵系统耀诲多统计集合潦描述，结稳貘态越密集，统诗麓量分橱参数之闻豹统计将往就越鞠煎，绞诗艇鬃分掇熬耩浚搬羧越麓；鞠骰试验法静筑杰就是糖够浚遮提供大登结构的振动朔声辐射的预测数据，使我们花赞较少的人力、物力就能获镊大型绩搦戆撅动程声疆魏特犍，炎太受链秘熬藏鬟簿嗓瑷爱宅熬虢绣设诗捷爨舞料。下颓分别介绍这姥方法豹在结构振动声辐射中的应用。1 2 1 栩似理论研究的概述毫获1 8 6 8 霉法鬻辩学家霁跨鞠疆b e r t r 鳞d ) 虢力擎方程分褥戈蒺萋妻蘧立榴似第一定理( 即“对于相似现象，其相似指标簿于l ，或蒸糨似准则的数值穗等”) 开始a ，人们就开始了对稠似现蒙的理论研究。随臌荧国科学家波金汉瞧b u c k i n 馥8 瑶) 提爨了掇戳蒡= 定理，又熬筇定理，该定理接述为：“浚攒述一物璐现象髓番数荚系串包含n 个物理量，萁中有i n 个物理量的蹙纲怒摆互独立，烈该瑗象爨鸯( n l l l ) 个键钕壤羽，且援滚魏臻象翁添数关系式可激达成( n - m ) 个相似准则间的函数关系溅”。这样觥为研究相似现象和相似凇鼷之溺戆立了丞数关聚，楚定攮磷突痰建霹能。藏蓐，嚣苏联辩学家蓦尔波挈夫积吉赫曼提出了楣似第三定理( 叉称槿似避照理) ，嬲答了襁议的态势必要条件，该定理可以描述为：“对于间一类物理现繇，如果单值挺相似，而麒蠹警蕊量辩缝盛鲤捂馘准刚在数蕊上糖等，囊现象摆 跬”嘲。攒议第三定瀵说镄，满怒什么蘩辞现象才能鞠议，帮现象稿似的盛要帮充分菸件。蕊个躐象，仅仅缓魏耪纭难粼数蓬摇等，并不能傈避虢黎裙经，还必颁翮上两者攀值条件棚似的条件。至戴经典耪奄鬟毽谂麴基本疆絮释疆论基确懑经建立麓寒，覆是穗锾三定2第1 章绪论理只定义出了什么条件下物理现象相似或者由物理现象相似可以得出什么样的相似准则及其相互关系，而没有给出具体的推导方法。在实际应用中，研究者们更注重的是两个相似现象之间的相似条件和相似关系，以及如何实现由相似模型预测原型的物理特性。随后，许多学者研究了相似理论的实现方法。r a y l e i g h 首先采用“量纲分析法”来研究两个相似物理现象，并且建立起第一个科学的相似试验模型，g o o d i e r 和t h o m s o n第一次把相似理论引入到结构振动系统的研究中，他们系统的研究了如何利用量纲分析法建立两个结构系统之间的相似条件慨”。这以后许多学者对相似理论中的量纲分析法不断的完善和发展”4 1 ，使之成为相似理论研究中比较重要的方法。虽然量纲分析法在处理简单的物理现象或简单结构体时比较简单和方便，但是在处理复杂物理现象或复杂结构体时，物理量的正确选择成为非常困难的事情。因此无法建立与其相应的量纲方程并引导出正确的相似结论，并且这种方法的成功应用还依赖分析者所选择无量纲项的技能。因此在量纲分析法发展的同时相似理论中的另一种方法一方程分析法也得到了发展。k l i n e 全面论述了方程分析法的应用前景并把方程分析法应用到求结构振动的相似条件中“”，随后e r v i ns z t l c s 把方程分析法应用到热学、流体力学、弹性力学等领域“，利用方程分析法得出两个物理现象之间的相似条件和相似关系。y q i a n 和s r s w a n s o n 利用方程分析法得到多层复合板之间的相似条件。并对加载冲击力的模型复合板进行了试验研究，从而预测原型复合板的特性“。许多研究人员又对方程分析法进行发展和完善，提出了相似转化法和积分类比法“”，这样就能更方便的获得两个相似物理现象之间的相似准则和相似关系。方程分析法具有结构严密，能反映物理现象中最为本质的物理定律，结论可靠，并能反映各物理量在系统中的地位，在处理畸变问题时比较方便等优点。但是，利用方程分析法时，需要建立能反映物理现象的微积分方程，这就要求对所研究的物理现象的机理有充分的认识，因此，此方法对研究未知现象的相似关系有一定的困难。在实际研究中一说到相似理论及相似模型，也许有人会想到飞机的风洞实验，还有人会想到模型船在水池中的实验。其实，只要知道相似现象能用变量表示，且在变量之间存在因果关系，就可以采用相似方法来研究，所以不难想像，相似理论和相似模型会有相当广泛的应用领域。3晗承滨工程大学博士论文作必疆早的援戗模型的铡予，恐l 鑫就褥数躲熬模型实验了。最拐，摸燮船是在水槽中进行实验的，遮虽然已经是两个世纪前的事情，然而此后在大蝥船靛懿设诗中，慧蘩或多绞少遗参考模整实验结采。对发震飞撬 乍密羹献的风洞实验，与船舶的水槽实验具有同样的悠久历史。目前，在空气的流速能够从征音遥褒纯副超音遥的风澜中，不仅可馘用模琶进行飞机和宇宙飞船的飞行实验，两且也可以避行风鼹引起的结梭振动等实验o “。相似理论魏相似模型实验也常常应用到水利、热力学镰领域“”1 。随着相似理论的日趋完整鼓及硬究工馋懿涤入，摇经理谂零器据 | ；l _ 漠型实验疲怒载矮域越寒越广泛。c s h u m i n 把相似方法应用到海岸工程领域，研究波浪对海岸结构的影响“2 “。文敞 2 5 ，2 6 $ u 爝穗镁模鍪实验研究交通礤声翡传播特涟教及声屏障在治理交通噪声中的应用。l e i fk a r l 把拥似方法引入到对隔振器的研究中，用根似模型试验简单快捷褥出各物理参数对隔振效果的影响阱3 。许多学者研究了掘似模型试验农空气动力学中的应用，利熙攘似模型试验的数据预溅原型瓣特性都得到很好的效果o ”“。文献 3 1 利用相似耀论预测焊接变形，基于温度耀钕懿禧叛壤裂窝数整分掇熬手段，提毽了器筑焊接残余交形静瓣陵模整方法。在这些领域的应用都怒对相似理论和相似试验的推广和完善。自觚g o o d i e r 稻t h o m s o n 第一次蘩霄稳钕理论研究结构系统的搬动特髓开贻。1 ，相似模型试验在研究大型绺构的振动特性方面得到蓬勃的发展。w e r n e rs o e d e l 利用方程分析法导出了振动薄壳的精确相似准则和近似相似准则，健通过对薄壳黪l o v e 方程进行分掇，讨论了秀秘蠖援下鲍提供准则，一是当拉伸效应占主导作用时，弯曲效应可以忽略，壳体的固有频率的相似关系与零发静辎钕条耱没有关系，舅一静清流是警夸蕊效应占主导撩瘟雾亨，此时，壳体的固有频率的相似关系与壳体厚度的相似条件成正比。弗对振动响应和负躐酶稀饭性谶行了研究，艇是文中没有考虑结构阻愆和流体负载对相似关系葶相似条件的影响o “。b o r jsk r a y t e r m a ne ta l 。根据相似瑕论中的量纲分析法推导出平檄和壳体的相似准则和相似关系，并建立了相似模型。在文中考虑了迭秀条传瓣捏钕条 睾瓣影噙，劳曼怼楣敛方法黪壤度遴簿了讨论“。对于水下结构的相似和模化文献 2 4 进行了研究，通过对水下结构的耱叛筷鍪祷往静研究，对水下结褐豹设计浚进爨密了方案。当结构体浚没在水中时，周围的流体就会对结构体的振动产生影响，具体体现为附谶水质擞4第1 章绪论对结构振动的影响，而文献 3 4 对附连水质量的相似性进行了研究。一般情况下，所研究的结构振动都是小振幅振动，那么对于大位移、弹塑性的结构振动是否可以用相似方法研究? 文献 3 5 3 6 给出了明确的回答，文中运用量纲分析法导出动态大位移大转角弹塑性相似结构的相似关系，并应用算例证明利用相似理论解决这类问题的可行性。g j s i m i t s e s 等人利用相似理论研究了复合材料的多层结构的振动响应性质，利用相似模型试验可以预测原型复合复合材料的特性，同时又节约了大量的人力和物力o 。”1 。在研究结构振动的相似性时也伴随着对结构的声辐射相似性的研究，在水声工程领域这个问题显的更为突出。中国船舶科学研究中心的俞孟萨教授对水下弹性结构体的振动、耦合振动和声辐射相似性进行了研究。文献采用有限元和边界元结合的方法，建立其结构体在水下振动有限元和边界元的方程，运用相似理论中的方程分析法，得出水下结构的声学相似条件和相似关系，最后，采用三个相似圆柱壳模型进行试验，在半混响环境中测试三个相似模型的湿模态频率以及水下声辐射功率，试验结果和相似理论分析的结果吻合很好o “。文献 4 2 也对受激励振动的板壳的振动响应的相似性进行了研究。在声学领域，许多学者利用相似理论和相似模型试验研究了流体动力性噪声的相似性、自由场气动声学的相似性、水下声传播损失的相似性，都取得了很好的效果m “1 。在实际的相似研究中，相似模型和原型在几何尺寸、材料参数、载荷条件、边界条件和实验环境等方面不可能完全满足相似条件，当至少一个相似条件不能被满足时，就产生了满足部分相似条件的畸变模型，如何用畸变相似模型预测原型的振动和声辐射特性是科研工作者所面临的问题。因此，研究畸变相似条件和相似模型不仅具有重大的现实意义，也可以把经典相似理论发展和完善。j r e z a e e p a z h a n d 利用方程分析法研究了多层复合板振动响应的完全相似条件，并对相似条件畸变时的情况进行讨论，数值计算各物理参数对相似条件的敏感程度以及畸变相似条件对预测结果精度的影响c ，。但是文中没有采取任何方法修正畸变相似条件对预测结果的影响。而a t a i b i e i 对畸变相似条件对预测结果的影响进行了研究，采用曲线拟合技术来对预测结果进行修正啪1 。经过科研工作者的努力，修正畸变模型的预测结果的方法越来越5哈尔演王程大学博士论文完善，如孙偿模型法、比例模他法、多模归元法秘预测系数法等“，”，” 。怼予隧交接颧楱塑在瘩声王稷中魏疰霆以及震跨交壤型豁实验袭聚鞭溅原型的声场特性，暗尔滨工程大鬻在这方面傲了大量的工作。文献 5 0 研究了有限长圆柱壳厚度畸变对其本襁频率的影响，应用预测搽数法和补偿摸烈法来实现密_ 萃度疃变摸鍪对骚受躺模态频率懿疆溅，著蘑蓐度穗交靛一潦霹定一端酝峦静有蔽长鞠柱旁秘漪黛模叠对理谂滋行验证取褥了缀好翡效聚。随着对畸变相似研究的深入，厚艘畸变对水下壳体振动的声场影响也越来越引起求声工 乍者的熬襁，应该采取母 么样的方法才自& 用畸变模型的声场浓殒溪霖型鹣声辐菇? 文献 5 i ，5 2 ，5 3 3 分器采，蜀赫瓣毒 褛嚣改交激裁菝率翦办法来修正出于厚度畸变而引起对原趔声场的预测误差，从而碱少厚度畸变对声场的影响。数值计算的结果和实验结果相吻合，这就说明这两种方法对厚度碡变援塑颈溅蒙羹声黼特性具囊章 褛馋矮，瞧诞爨这嚣释方法懿霹孽亍毪。蘧是这滔释方法都是袋针对菜一酴檬态畸交避释癍垒事 偿，两对其它阶模悉只起近似补偿的作用。嘲毙可见，通过对水下大型凝杂弹性结构体舱完全橙馘条件襄畸变掇戗条传黪辨究，霹敦实瑷嘉孛尺寸模囊瀚实验塞绫慕囊嚣大型承下甓簿羲薮韵，耦合撮勘和声辐射特性，相似方法将会对水下大型结构体的振动和噪声辐射的深入研究刨造条件。 。2 。2 缝计鹱量分析繇究撮遴统计能量分析的含义有三个方面，统计能瀑分析( s e a ) 中的“统计”的含义是把研究对象划分成子系统后，假定每个子系统的模态参数( 频率、振型、疆是等) 艟统诗势布涛基弼熬绕诗母体，这个统计母俸是密系裂名义上楼嚣或透议豹子系统组成。、这些近戳子系统静模态参数上翡差弊在给定静频率范围内具谢随机分布，任何一个具体的子系统，都是其统计母体中的一个子样。既然 乍为硬究对象熟予系绞是绞诗瓣，那么子系统斡模态参数都是睫枕变量，掰弑统诗母嚣对给定输天澈藤戆螭痤龟霆统誊于鹣；绫嚣巍鐾分橱串匏“髓蘸”的含义熄使用子系统的动力学髓墩( 动能、势能、电磁能等) 来描述系统的状态，利用能量变量就可使用简单的功率流平衡方程来描述糕舍子系统间的糨互雅鼹，捷霆魏量交鬃可菇黛撵处理嬖梅、声黼等子系统瓣龅程互搀爱翔鼷6第l 章绪论皇i 宣葺薯宣酋宣i i 薯端黼常i 置i i 置i i 邕耸宣i i 掣i 离篁耐黼i i 薯宣宣嵩端磷i i i i i 置篁掌i 蔫了。根据能量预永的结果，可以碍将其换算成所需要的嚣种响应量( 如速度、整移、声压缀等，觅第3 章谗论) ；统诗煞爨分辑串匏“努搴厅”含爻燎一婆s e a 参数( 如模态密度、内损耗因子和耦台损耗因子等) 都是所研究的予系统的几何、材料和介质特性的函数，必须通过分析研究才能搞清楚。这种方法熬最大特点是所爱躲理量是空灏纛时阕兹统诗平均建，敬爱浚绣麴援淤秘疆射声场的平均水平。最早开展统计能量分析研究的是美国麻衡理工学院的凡h l y o n 和英国的p 。w 。s m i t h 强，他们提出s e a 的基本参数，建立了模态子系统的能量平衡方程，著峦蘧奠定了s e a 鹣簇醚溉“1 。藏瓣孤h e c k l ，v v 。b o l o t i n 帮e e 。u n g e r 等学者对声振耦合特性研究作出了重鬻贡献，对统计能量分析璁论的形成怒到推动作用o “。经典统计能量分析的瓣本假设是处理线性、保守、弱藕会瓣双蒹羲予系统在稳态薅壤力激磁下瓣麓态穗应，缝器发震残蔻娥理线性、保守、弱藕合系统的工程筝段。l y o n 程1 9 7 5 年出版的 对s e a 晕勰的发展逃李亍了概括，并预测了未来的研究方向4 ，这本书被认为是s e a 发展变上静一个萋程碑。魏籍，诲多学者扶各啻研究瓣领壤爨发，辩s e a进行了很多研究和发展嘞“1 。为了使s e a 璁论更完善更实用，科学工佟者从s e a 的几个基本假设如发寒磷究褰发展统诗耱量分琚。辩予经典s e a 炎戆痤震子弱糕会系统懿隈甏，h e r o n 通过研究认为统计能赣分析对于弱耦龠系统和强耦合系统得出的结果都是一样的旧。这样就把s e a 用于对强耦舍系统的分析成为可能。对于子结构之阅为保守耦会的f 琵制，由警备子结构之阕斡连接或多戏少葸存在越璧鳇损裁，藩僳守藕合系统院较多，保守藕合熬隈翻越来越戒为统诗锈量分搴厅发展的晦碍。文献 5 6 ，6 6 研究了双振子非保守耦合系统功率流，使s e a 瓣本理论对 保守耦合系统也适用。随后有些学者将非保守耦台得到损耗附加到内擐裁鞭子上或定义一令蔌戆参数“港蓑豢含按艇霆予”竣卷定义秀“# 傈守耦合系数”等，所有这些修改襁一定程度上都促进了s e & 的发展，提高s e a的预测精度“”。经典s e a 的研究对象为双振子保守耦合系统，而实际结构一般蕊是多子结构豹糕台系统。必了获褥多子结梅藕合系统功率浚传竣熬一般靛槔，文献 7 0 ，7 1 研究了三取联振子保守藕会系统功率流，结栗显霜，菝7哈尔濒工程大学博士论文子之间存在直接功帮流和间接功率流，并提出间接耦合损耗因子，同时对双摄予粒壤含系统黪s e a 链量乎餐方程送行了掺正。这些礤究残杀都推动这s e a不断发展和完善。经典s e a 的外激励力假设为平稳随机自噪声，但是实际机械结构的激励可能魑瞬态激励域相关激励，瑰论假设和实际情况之间的麓异阻碍了s e a 斡应用。因此，l y o n 秘f a h y 对譬帮移单频激励响应进行了臻究，扶谣突破了s e a 溅论关于平稳麓辊激励静假设拙。文献 7 4 研究了藕合振子在相关激励下的能量分布与功率流。总之，通过上面的研究，促进了经典统计熊量分析的发展和完善，使统计能量分析应用到强藕合、非保守、多子结稳系统中，霹瓣扩大了统诗鬣鬣分孛厅熬盛怒范基，楚梵方法更好翡凳释磅服务。航天航空技术盼迅速发展对大型复杂轻巧飞行器提出了更高的可熬性要求，攘动了统计黥囊分辑豹发藏，使s e a 残免瑟块飞行器“声振”趣熬默及解决复杂系统宽带筒频动力学阏题酶一个有力工具。文献 7 6 采用统计能量分析预测某导弹仪器舱的动力学环境，s e a 计算结果和试验结果相吻合。卫星在主动段会受到拨动机脉动攘力、喷气噪声以及紊流边器层脉动压力综合产生靛蓬楹振动激赫，采廷s e a 方法霹菜受爨戆竟謦| l 奁稳振动力学环缓送行预示，与试验结果的对比，验诋了s e a 方法的可行性”。文献 7 7 ，7 8 分别用s e a 研究了飞机艚嶷内的噪声和单层隔振系统，通过对某测飞机的舱室内噪声进行颈溅，验谖ts e a 颡测飞疑壁扳礞声爨豹实瘸蛙。逐年来统计能爨分析法在水声工程中的艨厢也得裂了长足的发展。西北工业大学盛美萍利用统计能量分析法研究了掰型水下航行器壳体的振动和声辐射响应“”。对两裂水下航行器结构减振降嗓滋行了评镳积分据。文献 7 9 蘑s e a 方法，怼瀣浚透赛罄歉动缓力澈藏下水下结构豹爨噪声遵毒亍了分辑，得到栩应的自噪声工程估算关系，为自噪声的治理提供了依据。潜艇自噪声的大小直接影响到声纳的工作效率和声纳的探测距离，降低自噪声可以提高声纳瓣检溅能力，璞大声纳豹终瘸距离。因魏鼯潜艇基噪声魏磅究载鬟零孽戈为冀鬟。文献 8 0 霈j 用统计能爨分析方法研究了某潜艇综合声纳声腔结构在动力源作用下产生的自噪声，并对实际声纳声腔结构噪声婚致的白噪声进行了预测。两文献 s 1 采魇统计熊爨分析法建立声纳自噪声中永动力噪声分量静诗彝模壅，著诗簿分褥不同翠藏韦孝辩、啜声处理对毒嗓声的影嫡，劳为译信8第1 章绪论声纳自噪声降噪效果提供了依据。总之，统计能量分析在处理水下复杂结构的宽带高频振动和声辐射方面的优势，使此方法越来越成为处理水下复杂结构振动和声辐射问题的有力工具之一。1 2 3 数值方法研究概述结构体在水中的耦合振动是一个非常复杂的问题，不仅涉及到结构体的振动和辐射声场，还涉及到它们之间的相互作用，即结构体受激励振动在水中产生声场，而同时辐射声场又对结构体产生反作用力影响结构体振动，因此需要求解结构振动和声场的耦合振动方程。由于水下结构体的复杂性和不规性，一般很难得出解析解，而采用数值方法来研究壳体的振动和声辐射问题。对水下壳体受激励振动和声辐射的数值解法很多，在此只介绍最常用的几种解法，如有限元法、有限元+ 边界元法和有限元+ 球函数展开法等。有限元法目前被广泛应用于求解各种形状结构的振动问题以及求解有限区域内的声场问题，因为它对结构体的形状及结构体和流体的边界形状适应性强，数值计算特性好等优点，所以是解决工程上复杂结构振动和声辐射问题的有效方法啪删。将有限元应用到结构振动与声耦合问题时需要在结构的外部紧贴结构表面构造一个流体结构，对结构和流体都进行有限元网格离散，建立有限元方程。这一方法的优点是对结构的形状没有限制，且耦合方程的系数矩阵与频率无关。但是对于大结构或高频率振动情况，要求所构造的流体很大或网格划分很细，这样数值计算激和数据存储瑟都j i 常大。当用有限嚣法计算无限送域蠹熬结构体与流体分痰熬耦令振动秘声辐射时，流体区域的大小黧求满足结构振动声辐射的远场条件，这时就骚把无限区域声辐射问麓捧区域截鼗懿理，入秀豹弓| 入误差，必了减少这秘溪差，滚体嚣域裁簌该取足够大，这样以来计算的节点就会增大，计算量也袅增大，这也是有限元法在声场计算审的缺点。有限元方法和边界元方法结合起来研究水下结构体的振动和声辐射阿题燧水声工程中经常用列的方法。它就是用有限元方法擒述水下结构的振动问题，是边赛元方法搂述结麴俸熬辐射声场，将蠢限元方法毅边界元方法农结构体与流体交界面上的离散化节点相匹配，从而获得结构体与声场的耦合振动方程。麦予霄限元法援述复杂缝稳俸静擐动嚣鬻寄箴，焉迭秀元仅霹缭梅垒豫尔滨工程大学博论文鲍外表露划分，使所求蜒阀题的维数减少一维，势且对结构袭瑟懿尼凭形坟无严格的要求，因此该方法对结构体的形状适威性较强，但怒它存在这频率失效豹耀蘧”。蹬零滨工程大学褒德汪潜慕孀寄黻元窝逸界元结合静方法研究了单、双层加肋圆柱壳水下受激励振动与声辐射情况，并开发了有限元软侔a n s y s 稻边界元软伟s y s n o i s e 缩合起来的数值计算方法铆。文献e s 8 9 0 采用f e m 和b e m 相结含的办法分别研究了船自自和水下复杂壳体的振动和声辐射问题，这些研究都为大型复杂结构水下耦合声振预报提供借鉴。育殴元积球函数鼹嚣技本糖缝合的方法也是磅究求下结热振动秘声辐麓常用到的方法。它的基本原理就是将结构外部的声场用球函数级数展开表示，续稳体懿振羲麓有疆元方法播逮，然后程结构与流体静接融羿面上选取莲配点，由边界面上的声援和振遵连续的条件将声场的球酌数展开式和结构的振动方程藕合在起“。文献 9 3 采用诧方法研究两端带半球帽的荤层加肋圆柱壳水下振动和声辐射问题。对朦柱壳瓤球形滤体部分用有限元方法处避，在球形流体的外部球筒上用球函数展开h e l i i l l o l t z 积分方程中的声聪和声压撵度，髯透过迭雾条传建立糕会援凌方程。1 3 本文研究的背景、方法、内容及意义1 3 1 问题的提出对于水下嶷杂壳体结构振动和声辐射问题的研究在舰艇、潜艇和鱼雷等水中兵器的减掇降噪工程中楚+ 分爨要数课题，遇过对水下复杂麦体结均摄动、声辐射的研究，将有助予对噪声产生机理的认识和对噪声源的识别，从纛镬藏振降嗓王馋擞裂蠢懿教矢，敬缮满慧的效果。惩是，涎着对水下结构振动和声辐射研究的深入，国内水声界越来越清楚的认识到，仅仅依靠对水下复杂壳俸的数值诗算难戬解决东下航萱亍器实现安静纯所遇到的难题。如聚能提出一套准确预测水下大型结构的振动和声辐射特性的方法，以及能够为降低水下大型结构的搬动和声辐射而提出优化设计方案，那么此方法将会对水下大型结构豹振动帮噪声辍射的深入硪突剑造条馋，嚣虽怼国防建设事照具有重要的意义。因魏，在| l 鞋：鹜景下握鑫了采溪窳下大整结擒豹藕酝模鼙采预测它静结构振动和声辐射特性方淡。因为采用相似模魁来研究水下大型结构的振动和声1 0第1 章绪论辐射，一方面可以研究水下大型结构的振动和声辐射规律并实现噪声预报，另一方面可以开发和验证水下大型结构的减振降噪技术，并能提出对水下大型结构的优化设计方案。因此本文的研究具有重要的现实意义，并得到了高等学校博士学科专项科研基金资助。1 3 2 研究方法根据水下复杂壳体的实际情况，采用以下方法研究水下复杂壳体的振动、耦合振动和声辐射的相似性。( 1 ) 采用有限元和球函数展开的方法建立水下壳体和流体的有限元方程以及远场的声压表达式。运用相似理论对这些方程进行相似分析，得到水下复杂壳体的振动、耦合振动和声辐射的相似条件和相似关系。( 2 ) 对于水下大型结构或高频率振动的情况，采用有限元方法计算量将大大提高，并且对质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵的分析也很困难，而统计能量分析在处理高频问题具有一定的优势，采用统计能量分析的方法研究水下复杂壳体的振动和声辐射特性，划分子结构并建立功率流平衡方程，运用相似理论对模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子、输入功率以及功率流平衡方程进行相似分析，建立水下复杂壳体的振动、耦合振动和声辐射的相似条件和相似关系。( 3 ) 在实际的相似性研究中，模型和原型在几何尺寸、材料参数、载荷条件和边界条件等方面不可能完全满足相似条件。本文采用“有限元预测系数法”来修正厚度畸变模型对原型的预测误差，实现对原型的振动和声辐射的准确预报。1 3 3 本文内容为了便于了解本文的主要工作，把各章节的主要内容列出。第1 章是绪论。详细的介绍了本文的研究背景，以及相似理论的发展历程和国内外的研究现状，对用到的理论和方法也进行了介绍。第2 章是水下复杂壳体振动和声辐射完全相似的理论研究。利用相似理论对复杂弹性壳体和球面s 。内流体区域的有限元方程以及远场的声压表达式进行相似分析，得到水下壳体的振动、耦合振动和声辐射的相似条件和相似关系，并采用有限元软件a n s y s 对这些相似条件和相似关系进行数值分哈尔滨工程太学鞯士论文援，彳导到潢意的结果。第3 章是统计能缀分析( s e a ) 物理模型的建立和相似分析。采用统计能蹙分李厅豹方法磁究承下笈杂竞侮懿掇凌窝声辐鬈将缝，划分子结梅并建立功率流平衡方程，运用相似理论对模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子、输入功率隘及功率潍平衡方程进行相似分析，建立水下复杂壳体的振动、藕合振动和声辐射的棚似条传和相似关系。第4 章是水下复杂壳体振动和声辐射畸变相似的理论分析。采用“有限元颚测系数法”来修夔厚度髓变模溅对照型的鬏测结巢的影响，在一定的误差范围内实现对原型搬动和声辐射的预报，并把“有限元预测系数法”推广寝矮。第5 章是相似的可靠性分析。在本章中讨论了非棚似函数对相似性的影响以及裔相似骰的阔蹶，对备稻似参数的是敏性进行分析，并对相似研究中出现的尺寸效应和边爨效应进行了理论分糖，最后提出了相