[發明專利]復雜組合殼結構水下聲輻射的定量計算方法及系統

有效

• 申請號: 201510033897.2
• 申請日: 2015-01-22
• 公開（公告）號: CN104573260B
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發明（設計）人: 王獻忠;吳衛國;漆瓊芳;許瑞陽;周雍;馬麗
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 許美紅

技術領域

本發明涉及船舶結構特別是水下航行器的結構聲學設計領域，具體設計一種復雜組合結構水下聲輻射的定量計算方法及系統。

背景技術

艦船振動噪聲一直是國內外研究的熱點，由海洋資源開發和利用引起的海上摩擦日益增多，海軍強國不斷提高其海、空探測設備的技術水平，艦船的隱蔽性遭受越來越嚴峻的挑戰，其隱蔽性是決定戰斗力和生存力的主要因素。艦船的輻射噪聲一方面會把自己暴露給敵方；另一方面艦船的聲吶進行探測也需要考慮噪聲的限制，艦船結構聲隱身性能的軍事重要性越來越顯突出。因此，開展艦船聲學結構設計是保證艦船生命力和戰斗力的重要手段。因此，在船舶結構聲學設計時，需要進行振動噪聲的定量評估。

船舶結構的振動和聲輻射問題實質是一個復雜的流-固耦合問題。船舶結構水下噪聲的計算方法現已形成并用于工程設計的主要有：理論計算方法、數值計算方法和工程估算法。目前理論方法主要是針對圓柱殼模型的研究。這些計算模型改變了外部流場域的真實情況，因此計算模型與實際船舶模型不一致，所以與真實船舶結構的振動噪聲結果存在一定的差別。數值方法通過結構離散辦法(有限元、邊界元及有限元結合邊界元)或能量法(統計能量分析方法)能夠很好的預報艦艇結構詳細設計過程中的水下振動噪聲，但是難以解釋深層次的物理機理，而且受限于計算頻帶。但模型的范圍、邊界處理、參數的選取等引起的計算誤差很大，需要進一步完善。工程估算法是在理論推導和試驗驗證的前提下，基于測試數據和經驗公式總結歸納形成的預報方法，但需要大量實船測試數據的統計歸納，由于目前實船數據的支撐不夠，因此還難以廣泛應用。

因此上述方法均不能很好模擬船舶特別是水下航行器的水下聲輻射。而 且，關于包含球殼及艙壁等結構和流體介質在內復雜組合殼系統的計算和處理方式尚未見報道。

發明內容

針對上述缺陷或者不足，本發明提供了一種基于精細算法的復雜組合殼結構振動響應定量計算方法，能夠定量計算由圓柱殼、圓錐殼、球殼、加強筋及艙壁等組成的復雜組合殼的振動響應，為船舶特別是水下航行器的振動綜合評估提供依據。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

提供一種復雜組合殼結構水下聲輻射的定量計算方法，包括以下步驟：

(a)獲取流體介質中組合殼系統的結構參數和激勵參數，所述結構參數包括組合殼系統中各個結構的幾何尺寸、材料特性參數；激勵參數包括激勵力的幅值及分布位置；

(b)根據獲取的結構參數和激勵參數，在組合殼表面上沿母線方向進行配點，采用精細積分方法計算組合殼系統各配點間的場傳遞矩陣和點傳遞矩陣，并計算外力向量；

(c)根據組合殼系統兩端邊界條件和結構連續條件，建立流體介質-組合殼系統的動力學模型；所述流體介質-組合殼系統動力學模型為：

式中，T_i和P_i(i＝2...n)為流體介質-組合殼系統中各配點的場傳遞矩陣和外激勵，Z_i(i＝1...n)為流體介質-組合殼系統中各配點處的狀態向量，I為單位矩陣；

(d)通過Moore-Penrose廣義逆矩陣求解得到流體介質-組合殼系統的振動響應；

(e)根據流體介質-組合殼系統的振動響應，使用波疊加方法，求解組合結構系統的水下聲輻射。

本發明所述的方法中，所述步驟(b)中，在計算組合殼系統各配點間的場傳遞矩陣和點傳遞矩陣前，先判斷各相鄰配點間是否有加強筋或艙壁結構存在，若是，則計算各配點間的場傳遞矩陣時需考慮點傳遞矩陣，根據精細積分辦法計算獲得各配點間的傳遞矩陣。

本發明所述的方法中，所述組合殼系統的結構為圓錐殼-圓柱殼-球殼組合結構，所述組合殼系統中各個結構包括圓柱殼、錐殼、球殼、加強筋及艙壁。

本發明所述的方法中，所述步驟(c)中，利用圓柱殼、錐殼、球殼分別進行組合殼的建模；將環肋簡化為加強筋，采用Timeshenko梁考慮三個方向平衡進行建模；將艙壁簡化為圓形板進行建模。

本發明所述的方法中，所述步驟(e)中，使用波疊加方法，根據位移滿足線性疊加原理，分別將外激勵和廣義聲壓激勵下的動響應帶入流固耦合邊界條件，進而求解得到圓錐殼-圓柱殼-球殼組合結構的水下聲輻射。

本發明還提供一種復雜組合殼結構水下聲輻射的定量計算系統，包括：

原始數據獲取模塊，用于獲取流體介質中組合殼系統的結構參數和激勵參數，所述結構參數包括組合殼系統中各個結構的幾何尺寸、材料特性參數；激勵參數包括激勵力的幅值及分布位置；