馬銳磊, 尹韶平, 曹小娟, 嚴(yán) 海, 秦曉輝

?

楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)對(duì)魚(yú)雷殼體聲輻射的影響分析

馬銳磊1,2, 尹韶平1,2, 曹小娟1, 嚴(yán) 海1, 秦曉輝1

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710075)

針對(duì)魚(yú)雷楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)對(duì)殼體聲輻射的影響問(wèn)題, 綜合運(yùn)用有限元法和邊界元法對(duì)其進(jìn)行了分析, 首先建立了魚(yú)雷有限元模型, 并對(duì)模型進(jìn)行了模態(tài)仿真計(jì)算, 通過(guò)試驗(yàn)對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證; 通過(guò)聲學(xué)軟件LMS Virtual. Lab Acoustics中的邊界元法對(duì)模型進(jìn)行了輻射聲功率計(jì)算, 比較了有楔環(huán)模型與無(wú)楔環(huán)模型的聲功率曲線, 并給出典型頻率的聲壓級(jí)云圖。仿真結(jié)果表明, 有楔環(huán)狀態(tài)下的總輻射聲功率比無(wú)楔環(huán)狀態(tài)下低10 dB左右, 可為后續(xù)魚(yú)雷噪聲預(yù)報(bào)及噪聲控制提供參考。

魚(yú)雷殼體; 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu); 模態(tài); 輻射聲功率; 聲壓級(jí)云圖

0 引言

魚(yú)雷是一種涉及機(jī)械、電子、力學(xué)、動(dòng)力、控制、水聲、爆炸等多學(xué)科的高技術(shù)水下精確制導(dǎo)武器。魚(yú)雷產(chǎn)品為了滿(mǎn)足生產(chǎn)、加工、調(diào)試、安裝、維修使用和保障等方面的需求, 必須進(jìn)行必要的分段。進(jìn)行魚(yú)雷艙段間的連接設(shè)計(jì)時(shí), 必須在滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和密封要求的前提下, 做到拆裝使用方便, 并盡量保證雷體表面的光順, 提高保障性。魚(yú)雷艙段連接方式最常用的是楔環(huán)連接。楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)具有雷體表面光順、占用殼體內(nèi)部空間小、結(jié)構(gòu)尺寸緊湊, 質(zhì)量輕、連接可靠、殼體受力均勻等優(yōu)點(diǎn)[1]。

隨著聲納系統(tǒng)、電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展, 聲納系統(tǒng)對(duì)水下目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤能力大大提高, 從而對(duì)魚(yú)雷的聲隱身技術(shù)提出了更高的要求。只有盡量降低魚(yú)雷的水下聲輻射, 才有可能提高其隱蔽性和導(dǎo)引距離。魚(yú)雷殼體是金屬薄殼結(jié)構(gòu), 在激勵(lì)作用下振動(dòng)的隨機(jī)響應(yīng)所產(chǎn)生的二次聲輻射是魚(yú)雷水下主要噪聲源之一, 因此, 對(duì)殼體的聲輻射研究十分必要。文獻(xiàn)[2]聯(lián)合有限元法和邊界元法對(duì)流場(chǎng)中的圓柱殼點(diǎn)聲源激勵(lì)下的聲輻射作了數(shù)值計(jì)算, 預(yù)報(bào)了圓柱殼的內(nèi)外場(chǎng)聲壓, 得到了圓柱殼的聲輻射功率曲線。文獻(xiàn)[3]研究了兩端簡(jiǎn)支單層圓柱殼振動(dòng)模態(tài)與聲輻射模態(tài)的耦合關(guān)系, 計(jì)算了結(jié)構(gòu)的輻射聲功率。文獻(xiàn)[4]在文獻(xiàn)[5]和[6]研究的基礎(chǔ)上, 具體比較了機(jī)械力與聲源2種激勵(lì)作用下環(huán)肋圓柱殼的水下聲輻射特性以及傳遞損失。但是, 以上研究中均采用有限長(zhǎng)單段圓柱殼體, 未考慮連接關(guān)系影響。針對(duì)魚(yú)雷自身連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 本文采用楔環(huán)連接狀態(tài)下的2段圓柱殼體, 運(yùn)用有限元法和邊界元法對(duì)其建立了有限元模型和邊界元模型, 并通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證, 最后通過(guò)LMS. Virtual. Lab Acoustics軟件得到了其輻射聲功率和聲壓級(jí)云圖, 并與無(wú)楔環(huán)狀態(tài)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 基本理論

1.1 模態(tài)理論

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程通常可表示為

略去結(jié)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程中的阻尼力項(xiàng)和外載荷項(xiàng), 得到系統(tǒng)無(wú)阻尼自由振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程

令式(2)的解為

(3)

代入式(2)可得

(5)

1.2 耦合邊界元理論

耦合直接邊界元網(wǎng)格可分為2個(gè)部分, 一部分是與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格耦合的部分, 包含1個(gè)節(jié)點(diǎn), 另一部分是不參與耦合的部分, 包含2個(gè)節(jié)點(diǎn)(1+2=), 這樣直接邊界元上的聲壓和速度可以寫(xiě)為

由于聲壓作用在結(jié)構(gòu)上, 作為1個(gè)載荷, 同樣可以引起結(jié)構(gòu)振動(dòng), 這部分結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程為

對(duì)于邊界元上任意節(jié)點(diǎn), 有

將式(10)代入式(13), 可得

結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元方程式(8)和直接邊界元式(14), 可以得到耦合邊界元方程為

式中

在特殊情況下, 直接邊界元的整個(gè)網(wǎng)格都與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格耦合, 這時(shí)的耦合方程變?yōu)?/p>

式中

2 模型建立與驗(yàn)證

為比較分析, 本文選取采用楔環(huán)結(jié)構(gòu)連接的2段殼體以及不帶有楔環(huán)連接的光滑殼體分別進(jìn)行建模, 2種幾何模型全長(zhǎng)440 mm, 外徑324 mm, 殼體厚度5.5 mm。將幾何模型以*×stp文件格式導(dǎo)入有限元前處理軟件HyperMesh中, 忽略模型中倒角等微小特征, 采用hex8六面體單元、penta6五面體單元以及tetra4四面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 其中楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)模型根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]和[8]的方法建立, 魚(yú)雷殼體有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 魚(yú)雷殼體有限元模型

為驗(yàn)證帶有楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性, 對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn), 通過(guò)有限元仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比, 說(shuō)明模型的有效性。本文采用MSC. Nastran計(jì)算了模型的前10階模態(tài), 計(jì)算參數(shù): 材料彈性模量取69 GPa; 泊松比取0.33; 材料密度取2.7×10–9t/mm3, 由于篇幅所限, 故選取幾個(gè)典型結(jié)果。有限元計(jì)算與試驗(yàn)固有頻率對(duì)比結(jié)果如表1所示, 模態(tài)振型對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

表1 仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)表1可以看出, 仿真計(jì)算和試驗(yàn)得到的固有頻率結(jié)果相對(duì)誤差最大不大于5%, 滿(mǎn)足工程計(jì)算精度要求。

從振型對(duì)比結(jié)果可以看出: 1) 二者的第1階模態(tài)振型均為兩端面產(chǎn)生橢圓形變形, 且兩端變形方向相互垂直; 2) 二者的第3階模態(tài)振型均為兩端面產(chǎn)生三角形變形, 且兩端變形方向相互垂直; 3) 二者的第4階模態(tài)振型均為兩端面產(chǎn)生四角形變形, 且兩端變形方向相互垂直; 通過(guò)固有頻率值與模態(tài)振型的對(duì)比, 可以說(shuō)明有限元模型的準(zhǔn)確性, 從而為后續(xù)聲學(xué)仿真計(jì)算提供支撐。

圖2 模態(tài)振型計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

3 仿真結(jié)果與分析

本文采用邊界元法進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算, 計(jì)算時(shí)需要對(duì)模型建立邊界元網(wǎng)格, 即聲學(xué)網(wǎng)格, 邊界元網(wǎng)格劃分具有一定要求: 每個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)至少要包含6個(gè)單元[9-10], 即要滿(mǎn)足

式中:為單元邊長(zhǎng);max為所計(jì)算的最高頻率。

對(duì)于水介質(zhì), 聲速=1 500 m/s, 分析的最高頻率max=2 kHz, 則根據(jù)式(21), 聲學(xué)網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)應(yīng)不大于125 mm。利用HyperMesh軟件建立的模型邊界元網(wǎng)格如圖3所示, 網(wǎng)格尺寸不大于50 mm。

圖3 邊界元模型

將圓柱殼體的有限元模型(*.bdf文件)、模態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果(*.op2文件)以及邊界元網(wǎng)格模型(*.bdf文件)導(dǎo)入LMS Virtual.Lab Acoustics軟件中, 建立創(chuàng)建聲場(chǎng)網(wǎng)格及場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格, 定義聲場(chǎng)介質(zhì)及邊界條件; 在圓柱殼體內(nèi)部加載單位力激勵(lì), 設(shè)置聲輻射計(jì)算頻率范圍為1~2 000 Hz, 步長(zhǎng)為1 Hz, 利用邊界元法對(duì)其進(jìn)行聲學(xué)仿真。2種模型2 kHz內(nèi)殼體的輻射聲功率隨頻率變化對(duì)比曲線如圖4所示。

圖4 輻射聲功率對(duì)比曲線

從仿真結(jié)果可以看出, 有楔環(huán)狀態(tài)下的總輻射聲功率比無(wú)楔環(huán)狀態(tài)下低10 dB; 有楔環(huán)狀態(tài)下輻射聲功率最高的頻率點(diǎn)較無(wú)楔環(huán)狀態(tài)左移, 說(shuō)明楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)使模型整體剛度有所下降; 總體上, 在輻射聲功率最大的幾個(gè)頻率點(diǎn), 有楔環(huán)狀態(tài)較無(wú)楔環(huán)狀態(tài)輻射聲功率值小。

取模型中間部位徑向截面, 分別比較有楔環(huán)模型輻射聲功率最大的2個(gè)頻率點(diǎn)569 Hz和1 083 Hz及無(wú)楔環(huán)模型最大的2個(gè)頻率點(diǎn)158 Hz和1 031 Hz時(shí)的聲壓云圖, 如圖5所示。圖中, 左圖均為有楔環(huán)狀態(tài), 右圖均為無(wú)楔環(huán)狀態(tài)。

從對(duì)比結(jié)果看出, 在158 Hz時(shí)2種模型的聲壓云圖比較相似; 在569 Hz, 1 031 Hz和1 083 Hz時(shí), 無(wú)楔環(huán)模型的云圖形狀較有楔環(huán)模型更均勻、規(guī)則。

4 結(jié)論

本文結(jié)合有限元以及邊界元方法對(duì)魚(yú)雷有、無(wú)楔環(huán)連接的殼體結(jié)構(gòu)輻射聲功率進(jìn)行了對(duì)比分析, 得到了以下結(jié)論。

1) 有楔環(huán)狀態(tài)下的總輻射聲功率比無(wú)楔環(huán)狀態(tài)下低10 dB; 在輻射聲功率最大的幾個(gè)頻率點(diǎn), 有楔環(huán)狀態(tài)較無(wú)楔環(huán)狀態(tài)輻射聲功率值小。

圖5 2種模型在典型頻率點(diǎn)聲壓云圖對(duì)比

2) 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)使模型整體剛度有所下降, 使模型固有頻率值降低;

3) 從聲壓云圖上看, 除在158 Hz時(shí)2種模型的聲壓分布云圖比較相似外; 在569 Hz、1 031 Hz和1 083 Hz時(shí), 無(wú)楔環(huán)模型的聲壓云圖較有楔環(huán)模型更加均勻、規(guī)則。

本文通過(guò)對(duì)魚(yú)雷楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)對(duì)殼體聲輻射的影響研究, 為后續(xù)魚(yú)雷噪聲預(yù)報(bào)及噪聲控制提供參考。

[1] 尹韶平, 劉瑞生. 魚(yú)雷總體技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2011.

[2] 陳美霞, 邱昌林, 駱東平. 基于FEM/BEM法的內(nèi)部聲激勵(lì)水下圓柱殼聲輻射計(jì)算[J]. 中國(guó)艦船研究, 2007, 2(6): 50-54. Chen Mei-xia, Qiu Chang-lin, Luo Dong-ping. Sound Radiation Analysis of Submerged Cylindrical Shell Ex- cited by Interior Point Source Based on FEM/BEM[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2007, 2(6): 50-54.

[3] 和衛(wèi)平, 陳美霞, 魏建輝, 等. 基于有限測(cè)點(diǎn)的單層圓柱殼輻射聲功率計(jì)算[J]. 船舶力學(xué), 2012, 16(10): 1204-1211.He Wei-ping, Chen Mei-xia, Wei Jian-hui, et al. Calcu- lation of Acoustic Power Radiated from a Cylindrical Shell Based on a Limited Number of Measurements[J]. Journal of Ship Mechanics, 2012, 16(10): 1204-1211.

[4] 彭旭, 關(guān)珊珊, 駱東平, 等. 內(nèi)部聲激勵(lì)下加筋圓柱殼的聲輻射特性分析[J]. 固體力學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 28(4): 355-361.

[5] 陳美霞, 駱東平, 陳小寧, 等. 復(fù)雜雙殼體聲輻射性能分析[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 29(3): 209-215. Chen Mei-xia, Luo Dong-ping, Chen Xiao-ning, et al. Analysis of Sound Radiation Characteristics of Complex Double Shells[J]. Acta Acustica, 2004, 29(3): 209-215.

[6] 駱東平, 張玉紅. 環(huán)肋增強(qiáng)柱殼振動(dòng)特性分析[J]. 中國(guó)造船, 1989(1): 64-74.

[7] 劉曉歐, 尹韶平, 嚴(yán)光洪. 基于MSC Nastran的水下環(huán)肋圓柱殼體振動(dòng)模態(tài)計(jì)算方法[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程, 2006, 15(增刊): 124-127. Liu Xiao-ou, Yin Shao-ping, Gao shan. Underwater Vibra- tion Modal Calculation of the Ring-stiffened Cylindrical Shell with MSC Nastran[J]. Computer Aided Engineering, 2006, 15(S1): 124-127.

[8] 嚴(yán)光洪, 張志民. 接觸殼體的模態(tài)計(jì)算[C]//MSC. Software中國(guó)用戶(hù)論文集, 2004.

[9] 杜功煥, 朱哲民, 龔秀芬. 聲學(xué)基礎(chǔ)[M]. 第三版. 南京: 南京大學(xué)出版社, 2012.

[10] 李增剛, 詹福良. Virtual.Lab Acoustics聲學(xué)仿真計(jì)算高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2010.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Effect of Wedged Ring Connection Structure on Noise Radiation of Torpedo Shell

MA Rui-lei,YIN Shao-ping, CAO Xiao-juan,YAN Hai, QIN Xiao-hui

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi￠an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi￠an 710075, China)

Both finite element method and boundary element method are adopted to analyze the effect of the wedged ring connection structure on the noise radiation of torpedo shell. First, the finite element models for a torpedo are established, and then the accuracy of the models are verified through modal testing. Second, the models′ radiated sound power is calculated by using the boundary element method in the software LMS Virtual. Lab Acoustics. The curves of sound power for both models with and without wedged ring connection structure are compared, and the sound pressure level contours for typical frequency are obtained. The results indicate that the total sound power of the model with wedged ring structure is 10 dB lower than that of the one without wedged ring structure. This study may facilitate noise prediction and noise control of a torpedo.

torpedo shell; wedged ring connection structure; modal; radiated sound power; sound pressure level contour

TJ630.31

A

1673-1948(2014)03-0169-05

2014-02-25;

2014-03-19.

馬銳磊(1987-), 男, 在讀碩士, 研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)總體技術(shù).