儀修陽(yáng)，周其斗，紀(jì) 剛

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

基于聲輻射特性分析的艙壁邊緣開(kāi)孔參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

儀修陽(yáng)，周其斗，紀(jì) 剛

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

為滿足潛艇設(shè)計(jì)整體性、實(shí)用性和技術(shù)性要求，結(jié)構(gòu)組、管路組及機(jī)電組等需對(duì)特殊艙壁邊緣進(jìn)行開(kāi)孔處理。為研究艙壁邊緣開(kāi)孔對(duì)潛艇水下振動(dòng)和聲輻射特性的影響，以兩艙段環(huán)肋圓柱殼為研究對(duì)象，采用結(jié)構(gòu)有限元耦合流體邊界元方法，通過(guò)FORTRAN和DAMP混合編程，計(jì)算了在不考慮開(kāi)孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)條件下不同開(kāi)孔位置、開(kāi)孔數(shù)目及開(kāi)孔大小的圓柱殼水下輻射聲功率曲線，得到基于聲輻射特性的開(kāi)孔參數(shù)優(yōu)化方案，為潛艇艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供合理依據(jù)。

艙壁邊緣開(kāi)孔；聲輻射；環(huán)肋圓柱殼；參數(shù)優(yōu)化方案

0 引 言

潛艇在水下航行，結(jié)構(gòu)與外域流體相互作用向外輻射聲信號(hào)，聲信號(hào)在海洋中通過(guò)海洋聲道進(jìn)行長(zhǎng)距離傳播[1 – 3]，成為反潛技術(shù)偵聽(tīng)目標(biāo)。潛艇聲隱身技術(shù)雖然已經(jīng)取得重大進(jìn)步，但對(duì)于新型潛艇聲隱身技術(shù)的探索和研究腳步從未停止[4]。艙壁邊緣開(kāi)孔是潛艇常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，研究其對(duì)聲輻射功率的影響規(guī)律，對(duì)潛艇結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)意義重大[5]。水下圓柱殼的聲輻射特性[6 – 7]因其在工程和國(guó)防領(lǐng)域的重要影響，已經(jīng)為眾多的學(xué)者所研究[8]。黃振衛(wèi)等[9]探討了艙壁中心開(kāi)孔的環(huán)肋圓柱殼聲輻射特性，為本文提供了研究思路；G. C. Everstine[10]提出采用有限元結(jié)構(gòu)模型耦合邊界元的方法進(jìn)行聲學(xué)分析的理論，為本文提供了程序計(jì)算依據(jù)；ZHOU Q D等[11]提出了一種計(jì)算水下結(jié)構(gòu)聲輻射和動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值方法，為本文提供了理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)；紀(jì)剛等[12]采用FORTRAN代碼計(jì)算外域流體附加質(zhì)量和附加阻尼矩陣，采用結(jié)構(gòu)有限元分析程序?qū)Y(jié)構(gòu)和流體內(nèi)域做有限元分析，采用DMAP代碼將附加質(zhì)量和附加阻尼矩陣相疊加，實(shí)現(xiàn)了流固耦合計(jì)算，為本文提供了計(jì)算程序基礎(chǔ)。

潛艇局部區(qū)域存在著機(jī)電管路、排水管路及通風(fēng)管路等集中穿過(guò)的結(jié)構(gòu)，邊緣開(kāi)孔艙壁為這種結(jié)構(gòu)分布提供了可能，而相關(guān)方面的聲學(xué)研究甚少。本文總結(jié)分析了文獻(xiàn)[9]關(guān)于艙壁中心打孔對(duì)于圓柱殼聲學(xué)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)的啟示，并計(jì)算了兩艙段環(huán)肋圓柱殼不同艙壁邊緣開(kāi)孔參數(shù)的結(jié)構(gòu)濕表面輻射聲功率級(jí)曲線，得到了不同參數(shù)的曲線峰值數(shù)，從而為本文的艙壁邊緣開(kāi)孔優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 兩艙段環(huán)肋圓柱殼幾何模型及有限元建模

環(huán)肋圓柱殼水下聲輻射特性研究可以模擬潛艇噪聲源分析，本文以文獻(xiàn)[14]中的環(huán)肋圓柱殼為研究對(duì)象，探討了艙壁邊緣開(kāi)孔參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案。表1為單艙段環(huán)肋圓柱殼參數(shù)，圖1為兩艙段環(huán)肋圓柱殼幾何示意圖，每一艙段結(jié)構(gòu)相同，參數(shù)參考表1。材料楊氏模量為2.05×1011N/m2，泊松比為0.3，流體密度為1 030 kg/m3，材料密度為7 850 kg/m3。數(shù)值模擬時(shí)，以圓柱殼結(jié)構(gòu)幾何中心為圓點(diǎn)，半徑為6.096 m的圓周上均勻設(shè)置72個(gè)水聽(tīng)器點(diǎn)。單點(diǎn)激振力作用在其中一個(gè)艙段的中間肋骨處，如圖1所示，幅值參考文獻(xiàn)[11]。為得到艙壁邊緣開(kāi)孔參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，本文采用附加質(zhì)量附加阻尼算法對(duì)模型在單點(diǎn)激振力作用下的聲輻射特性進(jìn)行了計(jì)算，其中開(kāi)孔參數(shù)設(shè)置為：m為開(kāi)孔數(shù)量，r為開(kāi)孔半徑，Φ為開(kāi)孔分布角度。圖1描述了兩艙段環(huán)肋圓柱殼水下位置，圓柱殼在水下處于完全自由狀態(tài)。

表 1 圓柱殼相關(guān)參數(shù)Tab. 1 Relative parameters of cylindrical shell

采用MSC.PATRAN對(duì)兩艙段環(huán)肋圓柱殼進(jìn)行有限元建模。根據(jù)計(jì)算軟件對(duì)有限元模型的計(jì)算要求，圓柱殼濕表面采用三節(jié)點(diǎn)三角形單元建模，其余結(jié)構(gòu)采用四節(jié)點(diǎn)四邊形單元進(jìn)行建模，相鄰結(jié)構(gòu)共用節(jié)點(diǎn)。圖2所示為兩艙段基本圓柱殼有限元模型圖（右艙壁上半部分已經(jīng)隱藏），圖3所示為內(nèi)部結(jié)構(gòu)（去濕表面）的示意圖，圖4所示為開(kāi)孔分布角度分別為90°和360°的艙壁模型。

2 結(jié)構(gòu)有限元算法

流固耦合問(wèn)題已成為研究環(huán)肋圓柱殼水下聲輻射特性的重點(diǎn)，為此，本文將采用結(jié)構(gòu)有限元耦合流體邊界元的附加質(zhì)量附加阻尼算法[9]來(lái)計(jì)算兩艙段環(huán)肋圓柱殼水下振動(dòng)與聲輻射。該方法采用由流體到結(jié)構(gòu)進(jìn)行解耦的方式實(shí)現(xiàn)流固耦合問(wèn)題的解耦，研發(fā)大型水下結(jié)構(gòu)流固耦合聲輻射計(jì)算程序的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)FORTRAN和DAMP語(yǔ)言混合編程實(shí)現(xiàn)流固問(wèn)題的解耦，并通過(guò)通用有限元軟件NASTRAN實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)流固耦合振動(dòng)和聲輻射問(wèn)題的計(jì)算[11, 13]。圖5清楚地描述了結(jié)構(gòu)-流體相互作用的系統(tǒng)，外界流域Ω0被任意形狀的彈性薄殼S0分開(kāi)，流體密度為ρ0聲速為c0。

對(duì)兩艙段環(huán)肋圓柱殼，采用通用的有限元離散方法，并考慮穩(wěn)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題，可以得到方程：

式中：KS為剛度矩陣；MS為質(zhì)量矩陣；CS為阻尼矩陣；δ為節(jié)點(diǎn)位移；f為結(jié)構(gòu)上的節(jié)點(diǎn)載荷；pout為艇外流體對(duì)結(jié)構(gòu)的等效節(jié)點(diǎn)載荷。

并結(jié)合公式[11 – 12]

分析式（3）可以得到結(jié)構(gòu)位移并提取結(jié)構(gòu)-外域流體界面交接面上的節(jié)點(diǎn)位移，從而得到濕表面的法向位移向量U。結(jié)構(gòu)輻射聲功率級(jí)W可由下式計(jì)算

3 艙壁邊緣開(kāi)孔優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

本文探究了不同開(kāi)孔參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)水下聲輻射功率級(jí)的影響，分別計(jì)算了如表2所示9種模型的水下輻射聲功率，根據(jù)不同參數(shù)對(duì)聲功率的影響，得到艙壁邊緣開(kāi)孔優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。激振頻率和步長(zhǎng)如表3所示，計(jì)算時(shí)考慮了水面反射的影響。

3.1 開(kāi)孔數(shù)量參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為研究開(kāi)孔數(shù)量參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，參照表2，本文計(jì)算了工況1所示的開(kāi)孔數(shù)量m分別為0，8及16的兩艙段環(huán)肋圓柱殼的輻射聲功率級(jí)曲線，如圖6所示。

根據(jù)圖6推斷：開(kāi)孔數(shù)量對(duì)結(jié)構(gòu)聲輻射功率影響較大，總體上，聲功率隨開(kāi)孔數(shù)量呈遞增趨勢(shì)。為直觀分析開(kāi)孔數(shù)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方案，得到不同開(kāi)孔數(shù)量的聲功率級(jí)峰值數(shù)，見(jiàn)表4。根據(jù)圖6及表4可以得到開(kāi)孔數(shù)量參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：在滿足機(jī)電管路、排水管路等結(jié)構(gòu)空間安排時(shí)，減少艙壁邊緣開(kāi)孔數(shù)量，可有效降低環(huán)肋圓柱殼水下輻射聲功率級(jí)，減少聲功率級(jí)峰值數(shù)。

表 2 開(kāi)孔參數(shù)Tab. 2 Different parameters of hole

表 3 激振頻率和步長(zhǎng)Tab. 3 Excitation frequency ranges and steps

表 4 開(kāi)孔數(shù)量對(duì)輻射聲功率級(jí)峰值數(shù)的影響Tab. 4 Effect of different hole numbers on the peak number of radiated acoustic power level

3.2 開(kāi)孔半徑參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為研究開(kāi)孔半徑參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，參照表2，本文計(jì)算工況2所示的開(kāi)孔半徑r分別為40 mm，80 mm及160 mm的兩艙段環(huán)肋圓柱殼的輻射聲功率級(jí)曲線，如圖7所示。

根據(jù)圖7推斷：兩艙段環(huán)肋圓柱殼水下輻射聲功率級(jí)隨開(kāi)孔半徑呈遞增趨勢(shì)。為直觀分析開(kāi)孔半徑優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，得到了輻射聲功率級(jí)曲線峰值數(shù)，見(jiàn)表5。根據(jù)圖7及表5可以得到開(kāi)孔半徑參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：減小艙壁邊緣開(kāi)孔半徑，有利于降低環(huán)肋圓柱殼輻射聲功率級(jí)，有效減少輻射聲功率級(jí)峰值數(shù)。

表 5 開(kāi)孔半徑對(duì)輻射聲功率級(jí)峰值數(shù)的影響Tab. 5 Effect of different hole radiuses on the peak of radiated acoustic power level

3.3 開(kāi)孔分布角度參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為滿足艙段內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安排要求，艙壁邊緣開(kāi)孔分布成為設(shè)計(jì)部門的重點(diǎn)。為研究開(kāi)孔分布角度參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，參照表2，本文計(jì)算了工況3所示的分布角度Φ分別為90°，180°及360°的兩艙段環(huán)肋圓柱殼的輻射聲功率級(jí)曲線，如圖8所示。

根據(jù)圖8推斷：開(kāi)孔分布角度對(duì)結(jié)構(gòu)輻射聲功率級(jí)的分貝值影響很小，可以忽略。結(jié)合圖8及曲線數(shù)據(jù)，得到輻射聲功率級(jí)曲線峰值數(shù)，見(jiàn)表6。根據(jù)分析結(jié)果，可以得到開(kāi)孔分布角度優(yōu)化設(shè)計(jì)基本方案：開(kāi)孔分布對(duì)稱化、均勻化可有效降低輻射聲功率級(jí)的峰值數(shù)。

表 6 開(kāi)孔分布對(duì)輻射聲功率峰值的影響Tab. 6 Effect of different hole distributions on the peak of radiated acoustic power level

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以環(huán)肋圓柱殼為研究對(duì)象，采用結(jié)構(gòu)有限元耦合流體邊界元方法，實(shí)現(xiàn)了基于MSC.PATRAN軟件的結(jié)構(gòu)有限元建模，采用NASTRAN計(jì)算軟件分別計(jì)算了不同艙壁邊緣開(kāi)孔參數(shù)的兩艙段環(huán)肋圓柱殼水下輻射聲功率級(jí)曲線，得到了開(kāi)孔參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：適當(dāng)減少開(kāi)孔數(shù)量，減小開(kāi)孔半徑，有利于降低圓柱殼水下輻射聲功率級(jí)，并減少其峰值數(shù)；開(kāi)孔分布角度對(duì)圓柱殼水下輻射聲功率級(jí)的影響很小，可以忽略，但開(kāi)孔分布對(duì)稱化，可有效減少輻射聲功率級(jí)峰值數(shù)。

在滿足工程需求的同時(shí)，艙壁開(kāi)孔可有效減少艇體質(zhì)量，但會(huì)在一定程度上改變結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性[6]。艙壁邊緣開(kāi)孔是潛艇常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，建議結(jié)合本文開(kāi)孔優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，基于圓柱殼水下聲輻射特性，合理設(shè)置開(kāi)孔參數(shù)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體聲隱身性能。

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Research on parameters optional design of edge-perforated bulkhead based on analysis about acoustic radiation characteristic

YI Xiu-yang, ZHOU Qi-dou, JI Gang
(Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to meet the submarine design requirements of overall integrity ,usefulness and technicalities, structure, pipeline and electromechanical departments etc. need to cut holes on the edge of some special bulkhead. To investigate the effect of holes on the edge of bulkhead on underwater acoustic radiation of submarine, taking double stiffened cylinders as research objects, an approach combining the finite element and boundary element was adopted. Through FORTRAN and DMAP codes, the corresponding frequency response curves measuring the radiated sound power level from cylindrical shells with different amount, radiuses, distribution of holes were obtainedyet the structural strength near the hole was ignored. Parameters optimization scheme of edge-perforated bulkhead based on analysis about acoustic radiation characteristic were obtained, offering reasonable basis for structural design of submarine bulkhead.

holes on the edge of bulkhead；acoustic radiation；cylindrical shell；parameters optimization scheme

U661.44

A

1672 – 7649(2017)07 – 0039 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.008

2015 – 12 – 30；

2016 – 12 – 05

儀修陽(yáng)(1990 – )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檎駝?dòng)與噪聲控制。