楊忠超，樓京俊，孫 炯，楊慶超

(1. 海軍工程大學(xué) 兵器工程系，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢 430033；3. 海軍工程大學(xué) 船舶振動噪聲國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

水下航行器推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)聲振特性研究

楊忠超1，樓京俊2,3，孫 炯2，楊慶超2,3

(1. 海軍工程大學(xué) 兵器工程系，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢 430033；3. 海軍工程大學(xué) 船舶振動噪聲國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

本文針對尺度相對較小的水下航行器，建立了推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)動力學(xué)模型。運(yùn)用三維聲彈性理論和三維水彈性聲學(xué)分析軟件，計(jì)算了典型激勵(lì)力作用下系統(tǒng)的振動特性，得到了推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)在螺旋槳和軸上縱向和橫向非定常單位激勵(lì)力作用下的聲輻射規(guī)律。

水下航行器；推進(jìn)器-軸系-殼體；振動；聲輻射

0 引 言

水下航行器是世界各國海軍均爭相發(fā)展的武器裝備，在水聲探測技術(shù)日益完善、水下對抗日趨激烈的形勢下，安靜型水下航行器已成為各國海軍追逐的目標(biāo)[1]。水下航行器尾部的主要結(jié)構(gòu)一般為推進(jìn)器、推進(jìn)軸系與殼體的組合。理論計(jì)算及實(shí)測都表明水下航行器尾部殼體的振動在多數(shù)情況下高于其他艙段。因此開展水下航行器推進(jìn)器-軸系-殼體耦合系統(tǒng)聲振問題研究具有重要意義。

目前國內(nèi)主要針對潛艇開展了大量槳-軸-艇體結(jié)構(gòu)耦合振動的相關(guān)研究。曹貽鵬[2]與張文平[3]建立了帶有推進(jìn)軸系的潛艇尾部有限元模型，用有限元/邊界元的分析方法研究了軸系縱振對艇體尾部結(jié)構(gòu)水下聲輻射特性的影響，并分析了螺旋槳激勵(lì)力的傳遞路徑，提出縱振減振的幾種控制措施。陳發(fā)祥等[4]分析了螺旋槳激勵(lì)下軸系-艇體耦合系統(tǒng)的低頻聲輻射特性。鄒明松[5–7]利用三維水彈性力學(xué)理論，采用計(jì)及自由液面效應(yīng)的理想可壓流體Green函數(shù)，構(gòu)建了船舶三維聲彈性理論，并在Abaqus軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)了三維水彈性聲學(xué)分析軟件Thafts-acoustic。該軟件已經(jīng)應(yīng)用于多型水面、水下船舶、潛艇的聲學(xué)設(shè)計(jì)、聲學(xué)性能評估以及振動噪聲機(jī)理探索與分析，并通過正確性與實(shí)用性系列試驗(yàn)考核驗(yàn)證。吳仕昊[8]采用有限元/邊界元法對帶有復(fù)雜軸系子系統(tǒng)的槳-軸-艇耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。研究了螺旋槳激勵(lì)力經(jīng)軸系激勵(lì)艇體所引起的艇體振動聲輻射特性。對于魚雷、無人潛航器等尺度相對小的水下航行器，與潛艇、船舶等相比，在結(jié)構(gòu)、尺寸、振源特性、振動與聲輻射關(guān)心頻段等均存在較大差異，在推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)聲振問題方面，一些聲振規(guī)律并不相同，而國內(nèi)針對該類水下航行器尚缺乏直接針對性的研究工作。

因此本文主要針對魚雷、無人潛航器等尺度相對較小的水下航行器，建立了典型推進(jìn)器-軸系-殼體整體結(jié)構(gòu)振動與聲輻射分析模型，運(yùn)用三維聲彈性理論和三維水彈性聲學(xué)分析軟件Thafts-acoustic計(jì)算分析了推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)在螺旋槳等典型激勵(lì)力作用下的振動與聲輻射規(guī)律。

1 水中結(jié)構(gòu)三維聲彈性理論

水中結(jié)構(gòu)在內(nèi)外激勵(lì)下做微幅振動和變形假定條件下，可將連續(xù)結(jié)構(gòu)處理成具有有限個(gè)自由度離散的系統(tǒng)（采用有限元等數(shù)值方法得到），其動力學(xué)方程可表示為：

采用模態(tài)疊加法求解結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，離散系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位移可以表示為：

假設(shè)彈性結(jié)構(gòu)體周圍為均勻可壓、無粘的理想聲介質(zhì)，以及由結(jié)構(gòu)振動誘導(dǎo)的聲波場都是微幅線性的。在此假設(shè)下，總的流場速度勢可表示為各階聲波輻射速度勢的線性疊加：

每一階干模態(tài)振型的流固耦合濕表面邊界條件：

式中：ur，vr，wr為第r階干模態(tài)位移；為流固濕表面單位法向量。

與自由液面邊界條件對應(yīng)的Green函數(shù)為：

針對各階干模態(tài)得到的對應(yīng)的簡單源邊界積分方程：

流場中的輻射波聲壓為：

振動加速度級的計(jì)算公式如下：

場點(diǎn)聲壓級的計(jì)算公式如下：

由輻射聲功率換算聲源級的公式為：

對于單位力掃頻激勵(lì)的情況，式（9）和式（10）中的振動加速度、聲壓均取有效值。

2 推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)振動與聲輻射分析模型

2.1 推進(jìn)器-軸系結(jié)構(gòu)

典型的水下航行器推進(jìn)軸系結(jié)構(gòu)一般分2段，花鍵軸和尾軸?？拷l(fā)動機(jī)或電動機(jī)一端的花鍵軸通過彈性聯(lián)軸器與動力輸出軸相連，花鍵軸后段通過花鍵與尾軸相連，尾軸后端與推進(jìn)器轉(zhuǎn)子相連。這種短軸系在徑向上一般有2處軸承支撐。前軸承通常用滾動軸承支撐在隔板上，后軸承通常為滑動軸承，推力軸承采用尾置式，推進(jìn)器轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的推力通過推力軸承傳遞到尾部殼體[11]。簡化的推進(jìn)器-軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)模型

參照水下航行器基本的推進(jìn)器-軸系結(jié)構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)在Abaqus中建立推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)模型。對推進(jìn)器-軸系結(jié)構(gòu)，花鍵軸前端與動力輸出軸相連，這里只保留了花鍵軸及尾軸部分，將動力輸出軸對花鍵軸前端的支撐作用等效為與2個(gè)水平和垂向的彈簧單元連接。花鍵采用等效軸段法處理，軸系采用1D梁單元模擬。將軸承與軸系的連接簡化為彈簧彈性支撐，由于支撐軸承對軸系主要起到水平和垂向約束，所以將前支撐軸承模擬為水平和垂向彈簧，將尾后部支撐軸承與推力軸承對軸系的共同作用簡化為水平、垂向和縱向的彈簧連接。螺旋槳選取的是5葉三維彈性槳, 用3D實(shí)體單元模擬，在螺旋槳槳轂內(nèi)表面與軸建立約束關(guān)系。建立的推進(jìn)器-軸系結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

水下航行器通常為艙段結(jié)構(gòu)，艙段之間為隔板，且殼體內(nèi)部布置有環(huán)肋。不考慮內(nèi)部質(zhì)量的影響，在建立的推進(jìn)器-軸系結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，增加分艙段、含隔板和環(huán)肋的殼體結(jié)構(gòu)。將軸系模型中簡化軸承的彈簧一端與軸系在相應(yīng)的軸承位置處相連，另一端與殼體結(jié)構(gòu)在軸承相應(yīng)位置處連接，模型的連接如圖3所示。

建立完成的完整的推進(jìn)器-軸系-殼體耦合系統(tǒng)模型如圖4所示。為利用三維水彈性聲學(xué)分析軟件，還需建立殼體結(jié)構(gòu)與流體接觸的濕表面，以及螺旋槳與流體接觸的濕表面。

3 推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)振動與聲輻射特性分析

3.1 推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)振動特性分析

推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)通過軸系傳遞的主要激勵(lì)力包括來自發(fā)動機(jī)的激勵(lì)力和推進(jìn)器的激勵(lì)力。以花鍵軸前端橫向激勵(lì)、花鍵軸前端縱向激勵(lì)、螺旋槳橫向激勵(lì)、螺旋槳縱向激勵(lì)等4種典型激勵(lì)工況為例，研究分析推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)的振動特性。在花鍵軸前端處施加橫向非定常單位激勵(lì)力與縱向非定常單位激勵(lì)力，模擬來自發(fā)動機(jī)的激勵(lì)，在三維彈性槳槳葉0.7R處施加橫向非定常單位激勵(lì)力與縱向非定常單位激勵(lì)力，模擬推進(jìn)器的激勵(lì)力，激勵(lì)頻率均為1～600 Hz。激勵(lì)力施加位置如圖5所示。

計(jì)算分析4種激勵(lì)工況下在尾軸承和前軸承與殼體連接位置處的振動加速度響應(yīng)，如圖6所示。

由圖6可以看出：

1）不論是來自螺旋槳，還是來自花鍵軸前端，在縱向非定常激勵(lì)力作用下，尾軸承、前軸承與殼體連接處振動加速度響應(yīng)曲線趨勢一致，振動響應(yīng)效果基本相同，但前軸承處振動加速度級略大。

2）螺旋槳橫向激勵(lì)力作用下，1～100 Hz的低頻段內(nèi)，在幾個(gè)峰值頻率處尾軸承處振動加速度響應(yīng)均高于前軸承；100～300 Hz頻段內(nèi)，前軸承處的振動加速度響應(yīng)整體高于尾軸承處；大于300 Hz, 尾軸承處的振動在幾個(gè)峰值頻率處，振動加速度響應(yīng)均明顯高于前軸承。推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)受花鍵軸前端橫向非定常單位激勵(lì)力的作用規(guī)律與之類似。

對比分析螺旋槳非定常單位激勵(lì)力作用下在前軸承、尾軸承與殼體連接處的振動響應(yīng)，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，1～100 Hz低頻段內(nèi)，前軸承和尾軸承處受螺旋槳橫向單位激勵(lì)力作用產(chǎn)生的振動加速度響應(yīng)均明顯高于螺旋槳縱向單位激勵(lì)力作用下的振動加速度響應(yīng)；在140～440 Hz頻段內(nèi)，前軸承和尾軸承處受螺旋槳縱向單位激勵(lì)力作用產(chǎn)生的振動響應(yīng)明顯高于橫向單位激勵(lì)力作用。

3.2 推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)聲輻射特性分析

采用建立的推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)模型和三維聲彈性計(jì)算方法，計(jì)算3.1節(jié)4種激勵(lì)工況下推進(jìn)器-軸系-殼體耦合結(jié)構(gòu)聲輻射傳遞函數(shù)，結(jié)果如圖8所示。

圖8給出了螺旋槳單位橫向力、縱向力以及推進(jìn)軸上單位橫向力、縱向力激勵(lì)下耦合結(jié)構(gòu)的聲輻射傳遞函數(shù)對比曲線。從圖中可以看出：

1）在70 Hz以下的低頻段以及140～500 Hz頻段內(nèi)螺旋槳縱向非定常單位激勵(lì)力作用下耦合結(jié)構(gòu)的聲輻射明顯大于橫向激勵(lì)力作用下的聲輻射，這是由于耦合結(jié)構(gòu)的縱向振動以及縱向模態(tài)輻射效率高造成的；在70～140 Hz頻段內(nèi)螺旋槳橫向非定常單位激勵(lì)力作用下耦合結(jié)構(gòu)的聲輻射明顯大于縱向激勵(lì)力下的聲輻射，這是由于耦合結(jié)構(gòu)的彎曲振動引起的。

2）在小于300 Hz的頻段內(nèi)，耦合結(jié)構(gòu)受螺旋槳縱向非定常單位激勵(lì)力與受軸上縱向非定常單位激勵(lì)力作用引起的聲輻射效果基本相同，隨著激勵(lì)頻率的提高，聲輻射傳遞函數(shù)曲線趨勢仍然一致，但螺旋槳上單位縱向力激勵(lì)高于軸上單位縱向力激勵(lì)引起的聲輻射。

3）在小于250 Hz的頻段內(nèi)，耦合結(jié)構(gòu)受螺旋槳上橫向非定常單位激勵(lì)力引起的聲輻射明顯大于受軸上橫向非定常單位激勵(lì)力引起的聲輻射，在高于250 Hz的頻段內(nèi)，耦合結(jié)構(gòu)受軸上橫向非定常單位激勵(lì)力引起的聲輻射起伏較大，在峰值頻率處明顯大于受螺旋槳上橫向非定常單位激勵(lì)力引起的聲輻射。

3.3 典型激勵(lì)工況振動聲輻射聲壓指向性分析

利用三維聲彈性計(jì)算方法計(jì)算4種激勵(lì)工況下聲輻射峰值頻率處的輻射聲壓云圖，結(jié)果如圖9所示。由此可以分析耦合結(jié)構(gòu)橫向激勵(lì)和縱向激勵(lì)作用下水下聲輻射亮點(diǎn)區(qū)域。

由圖9可以看出，聲輻射峰值頻率處耦合結(jié)構(gòu)受螺旋槳縱向激勵(lì)時(shí)輻射聲壓主要集中在在頭部和尾部的錐殼部分，受螺旋槳橫向激勵(lì)時(shí)輻射面在殼體兩側(cè)。在峰值頻率處，受螺旋槳橫向激勵(lì)和縱向激勵(lì)時(shí)都會導(dǎo)致頭部有較強(qiáng)的輻射聲壓，說明這類水下航行器在受到尾部橫向和縱向激勵(lì)時(shí)，對頭部均會有很大的影響，因此在對水下航行器的頭部聲學(xué)換能器進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予重視。

4 結(jié) 語

本文針對尺度相對較小的水下航行器，運(yùn)用三維聲彈性理論，分析了推進(jìn)器-軸系-殼體系統(tǒng)的振動與聲輻射特性，主要得出以下結(jié)論：

1）不論是來自螺旋槳，還是來自花鍵軸前端軸上，在縱向非定常激勵(lì)力作用下，尾軸承、前軸承與殼體連接處振動加速度響應(yīng)曲線趨勢均一致，振動響應(yīng)效果基本相同，但前軸承處振動加速度級略大。

2）1～100Hz低頻段內(nèi)，前軸承和尾軸承處受螺旋槳橫向單位激勵(lì)力作用產(chǎn)生的振動加速度響應(yīng)均明顯高于螺旋槳縱向單位激勵(lì)力作用下的振動加速度響應(yīng)；在140～440 Hz頻段內(nèi)，前軸承和尾軸承處受螺旋槳縱向單位激勵(lì)力作用產(chǎn)生的振動響應(yīng)明顯高于橫向單位激勵(lì)力作用。

3）在中低頻段內(nèi)，推進(jìn)器-軸系-殼體耦合結(jié)構(gòu)受螺旋槳縱向非定常單位激勵(lì)力與受花鍵軸前端縱向非定常單位激勵(lì)力作用引起的聲輻射效果基本相同，隨著激勵(lì)頻率的提高，聲輻射傳遞函數(shù)曲線趨勢仍然一致但螺旋槳上單位縱向力激勵(lì)高于軸上單位縱向力激勵(lì)引起的聲輻射。

4）聲輻射傳遞函數(shù)峰值頻率處，耦合結(jié)構(gòu)受螺旋槳縱向激勵(lì)時(shí)輻射聲壓主要集中在頭部和尾部的錐殼部分，受螺旋槳橫向激勵(lì)時(shí)輻射面在殼體兩側(cè)。

[1]童宗鵬, 王國治, 張志誼,等. 水下航行器聲振特性的統(tǒng)計(jì)能量法研究[J]. 噪聲與振動控制, 2005, 01(01): 29–32.TONG Zong-peng, WANG Guo-zhi, ZHANG Zhi-yi, et al.Research on vibration and acoustic radiation of the submarine structure w ith SEA method[J]. Noise and vibration Control,2005, 01(01): 29–32.

[2]曹貽鵬. 推進(jìn)軸系引起的艇體結(jié)構(gòu)振動與輻射噪聲控制研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)動力與能源學(xué)院, 2008.CAO Yi-peng. Study on underwater structure vibration and radiated noise control caused by propeller exciting force[D].Harbin: Harbin Engineering University, 2008.

[3]曹貽鵬, 張文平. 軸系縱振對雙層圓柱殼體水下聲輻射的影響研究[J]. 船舶力學(xué), 2007, 11(02): 293–299.CAO Yi-peng, ZHANG Wen-ping. A study on the effects of the longitudinal vibration of shafting on acoustic radiation from under water doublecy lindrical shell[J]. Journal of Ship Mechanics, 2007, 11(02): 293–299.

[4]陳發(fā)祥, 諶勇, 華宏星. 螺旋槳激勵(lì)力下軸系-艇體耦合系統(tǒng)低頻聲輻射特征分析[J]. 噪聲與振動控制, 2013, 33(06):143–147.CHEN Fa-xiang, CHEN Yong, HUA Hong-xing. Analysis on the low-frequency acoustic radiation signature of the shaft-hull coupling system under propeller exciting load[J]. Noise and Vibration Control, 2013, 33(06): 143–147.

[5]ZOU M S, WU Y S, YE Y L. Three-dimensional hydroelasticity analysis of acoustic responses of ship structures[C]// 9th International Conference on Hydrodynamics, 2010, 10:844–851.

[6]WU Y S. Hydroelasticity of floating bodies[D]. London: Brunel University, 1984.

[7]鄒明松, 吳有生, 沈順根, 等. 考慮航速及自由液面影響的聲介質(zhì)中三維結(jié)構(gòu)水彈性力學(xué)研究[J]. 船舶力學(xué), 2010, 14(11):1304–1311.ZOU M ing-song, WU You-sheng, SHEN Shun-gen, et al.Three-dimensional hydroelasticity with forward speed and free surface in acoustic medium [J]. Journal of Ship Mechanics,2010, 14(11): 1304–1311.

[8]吳仕昊. 槳-軸-艇耦合結(jié)構(gòu)的振動和聲輻射特性理論與試驗(yàn)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2015.WU Shi-hao. Theoretical and experimental study on vibration and sound characteristics of propeller-shaft-shell coup led structures[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2015.

[9]趙琪, 尹韶平, 王中, 等. 基于Newmark-β法的魚雷推進(jìn)軸系動力響應(yīng)分析[J]. 船海工程, 2015, 44(01): 117–121.ZHAO Qi, YIN Shao-ping, WANG Zhong, et al. Dynam ic response analysis of torpedo propulsion shaft based on New mark-β method[J]. Ship & Ocean Engineering, 2015,44(01): 117–121.

Research of vibration and acoustic traits of underwater vehicle's propeller-shaft-hull system

YANG Zhong-chao1, LOU Jing-jun2,3, SUN Jiong2, YANG Qing-chao2,3
(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;2. Department of Scientific Research, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;3. China National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To study the underwater vehicle with relatively small scale, the dynamic model of propeller-shaft-hull systems was established. For the propeller-shaft-hull system, the three-dimensional sono-elastisticity theory and the acoustic analysis software were applied to compute the vibration characteristics of the system under typical exciting forces on propeller and shaft, the acoustic radiation traits of different exciting forces in both transverse and longitudinal directions were obtained.

underwater vehicle；propeller-shaft-hull；vibration；acoustic radiation

TB53

A

1672–7649(2017)12–0030–06

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.007

2017–05–10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51509253，51679245)

楊忠超(1992–)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檎駝釉肼暸c控制。