楔環連接結構對魚雷殼體聲輻射的影響分析

馬銳磊, 尹韶平, 曹小娟, 嚴 海, 秦曉輝

?

楔環連接結構對魚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 海1, 秦曉輝1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710075)

針對魚雷楔環連接結構對殼體聲輻射的影響問題, 綜合運用有限元法和邊界元法對其進行了分析, 首先建立了魚雷有限元模型, 并對模型進行了模態仿真計算, 通過試驗對模型的準確性進行了驗證; 通過聲學軟件LMS Virtual. Lab Acoustics中的邊界元法對模型進行了輻射聲功率計算, 比較了有楔環模型與無楔環模型的聲功率曲線, 并給出典型頻率的聲壓級云圖。仿真結果表明, 有楔環狀態下的總輻射聲功率比無楔環狀態下低10 dB左右, 可為后續魚雷噪聲預報及噪聲控制提供參考。

魚雷殼體; 楔環連接結構; 模態; 輻射聲功率; 聲壓級云圖

0 引言

魚雷是一種涉及機械、電子、力學、動力、控制、水聲、爆炸等多學科的高技術水下精確制導武器。魚雷產品為了滿足生產、加工、調試、安裝、維修使用和保障等方面的需求, 必須進行必要的分段。進行魚雷艙段間的連接設計時, 必須在滿足強度、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。魚雷艙段連接方式最常用的是楔環連接。楔環連接結構具有雷體表面光順、占用殼體內部空間小、結構尺寸緊湊, 質量輕、連接可靠、殼體受力均勻等優點[1]。

隨著聲納系統、電子技術和信號處理技術的快速發展, 聲納系統對水下目標的識別和跟蹤能力大大提高, 從而對魚雷的聲隱身技術提出了更高的要求。只有盡量降低魚雷的水下聲輻射, 才有可能提高其隱蔽性和導引距離。魚雷殼體是金屬薄殼結構, 在激勵作用下振動的隨機響應所產生的二次聲輻射是魚雷水下主要噪聲源之一, 因此, 對殼體的聲輻射研究十分必要。文獻[2]聯合有限元法和邊界元法對流場中的圓柱殼點聲源激勵下的聲輻射作了數值計算, 預報了圓柱殼的內外場聲壓, 得到了圓柱殼的聲輻射功率曲線。文獻[3]研究了兩端簡支單層圓柱殼振動模態與聲輻射模態的耦合關系, 計算了結構的輻射聲功率。文獻[4]在文獻[5]和[6]研究的基礎上, 具體比較了機械力與聲源2種激勵作用下環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單段圓柱殼體, 未考慮連接關系影響。針對魚雷自身連接結構特點, 本文采用楔環連接狀態下的2段圓柱殼體, 運用有限元法和邊界元法對其建立了有限元模型和邊界元模型, 并通過模態試驗對模型進行了驗證, 最后通過LMS. Virtual. Lab Acoustics軟件得到了其輻射聲功率和聲壓級云圖, 并與無楔環狀態結果進行了對比。

1 基本理論

1.1 模態理論

結構系統的動力學方程通?？杀硎緸?/p>

略去結構系統運動方程中的阻尼力項和外載荷項, 得到系統無阻尼自由振動的動力學方程

令式(2)的解為

(3)

代入式(2)可得

(5)

1.2 耦合邊界元理論

耦合直接邊界元網格可分為2個部分, 一部分是與結構網格耦合的部分, 包含1個節點, 另一部分是不參與耦合的部分, 包含2個節點(1+2=), 這樣直接邊界元上的聲壓和速度可以寫為

由于聲壓作用在結構上, 作為1個載荷, 同樣可以引起結構振動, 這部分結構的動力學方程為

對于邊界元上任意節點, 有

將式(10)代入式(13), 可得

結合結構有限元方程式(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, 直接邊界元的整個網格都與結構網格耦合, 這時的耦合方程變為

式中

2 模型建立與驗證

為比較分析, 本文選取采用楔環結構連接的2段殼體以及不帶有楔環連接的光滑殼體分別進行建模, 2種幾何模型全長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tetra4四面體單元對模型進行網格劃分, 其中楔環連接結構模型根據參考文獻[7]和[8]的方法建立, 魚雷殼體有限元模型見圖1。

圖1 魚雷殼體有限元模型

為驗證帶有楔環連接結構模型的準確性, 對其進行了模態試驗, 通過有限元仿真計算與試驗結果的對比, 說明模型的有效性。本文采用MSC. Nastran計算了模型的前10階模態, 計算參數: 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, 故選取幾個典型結果。有限元計算與試驗固有頻率對比結果如表1所示, 模態振型對比結果如圖2所示。

表1 仿真計算與試驗結果對比

通過表1可以看出, 仿真計算和試驗得到的固有頻率結果相對誤差最大不大于5%, 滿足工程計算精度要求。

從振型對比結果可以看出: 1) 二者的第1階模態振型均為兩端面產生橢圓形變形, 且兩端變形方向相互垂直; 2) 二者的第3階模態振型均為兩端面產生三角形變形, 且兩端變形方向相互垂直; 3) 二者的第4階模態振型均為兩端面產生四角形變形, 且兩端變形方向相互垂直; 通過固有頻率值與模態振型的對比, 可以說明有限元模型的準確性, 從而為后續聲學仿真計算提供支撐。

圖2 模態振型計算與試驗結果對比圖

3 仿真結果與分析

本文采用邊界元法進行聲學計算, 計算時需要對模型建立邊界元網格, 即聲學網格, 邊界元網格劃分具有一定要求: 每個波長內至少要包含6個單元[9-10], 即要滿足

式中:為單元邊長;max為所計算的最高頻率。

對于水介質, 聲速=1 500 m/s, 分析的最高頻率max=2 kHz, 則根據式(21), 聲學網格單元邊長應不大于125 mm。利用HyperMesh軟件建立的模型邊界元網格如圖3所示, 網格尺寸不大于50 mm。

圖3 邊界元模型

將圓柱殼體的有限元模型(*.bdf文件)、模態仿真計算結果(*.op2文件)以及邊界元網格模型(*.bdf文件)導入LMS Virtual.Lab Acoustics軟件中, 建立創建聲場網格及場點網格, 定義聲場介質及邊界條件; 在圓柱殼體內部加載單位力激勵, 設置聲輻射計算頻率范圍為1~2 000 Hz, 步長為1 Hz, 利用邊界元法對其進行聲學仿真。2種模型2 kHz內殼體的輻射聲功率隨頻率變化對比曲線如圖4所示。

圖4 輻射聲功率對比曲線

從仿真結果可以看出, 有楔環狀態下的總輻射聲功率比無楔環狀態下低10 dB; 有楔環狀態下輻射聲功率最高的頻率點較無楔環狀態左移, 說明楔環連接結構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頻率點, 有楔環狀態較無楔環狀態輻射聲功率值小。

取模型中間部位徑向截面, 分別比較有楔環模型輻射聲功率最大的2個頻率點569 Hz和1 083 Hz及無楔環模型最大的2個頻率點158 Hz和1 031 Hz時的聲壓云圖, 如圖5所示。圖中, 左圖均為有楔環狀態, 右圖均為無楔環狀態。

從對比結果看出, 在158 Hz時2種模型的聲壓云圖比較相似; 在569 Hz, 1 031 Hz和1 083 Hz時, 無楔環模型的云圖形狀較有楔環模型更均勻、規則。

4 結論

本文結合有限元以及邊界元方法對魚雷有、無楔環連接的殼體結構輻射聲功率進行了對比分析, 得到了以下結論。

1) 有楔環狀態下的總輻射聲功率比無楔環狀態下低10 dB; 在輻射聲功率最大的幾個頻率點, 有楔環狀態較無楔環狀態輻射聲功率值小。

圖5 2種模型在典型頻率點聲壓云圖對比

2) 楔環連接結構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, 無楔環模型的聲壓云圖較有楔環模型更加均勻、規則。

本文通過對魚雷楔環連接結構對殼體聲輻射的影響研究, 為后續魚雷噪聲預報及噪聲控制提供參考。

[1] 尹韶平, 劉瑞生. 魚雷總體技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2011.

[2] 陳美霞, 邱昌林, 駱東平. 基于FEM/BEM法的內部聲激勵水下圓柱殼聲輻射計算[J]. 中國艦船研究, 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] 和衛平, 陳美霞, 魏建輝, 等. 基于有限測點的單層圓柱殼輻射聲功率計算[J]. 船舶力學, 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, 關珊珊, 駱東平, 等. 內部聲激勵下加筋圓柱殼的聲輻射特性分析[J]. 固體力學學報, 2007, 28(4): 355-361.

[5] 陳美霞, 駱東平, 陳小寧, 等. 復雜雙殼體聲輻射性能分析[J]. 聲學學報, 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. 環肋增強柱殼振動特性分析[J]. 中國造船, 1989(1): 64-74.

[7] 劉曉歐, 尹韶平, 嚴光洪. 基于MSC Nastran的水下環肋圓柱殼體振動模態計算方法[J]. 計算機輔助工程, 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] 嚴光洪, 張志民. 接觸殼體的模態計算[C]//MSC. Software中國用戶論文集, 2004.

[9] 杜功煥, 朱哲民, 龔秀芬. 聲學基礎[M]. 第三版. 南京: 南京大學出版社, 2012.

[10] 李增剛, 詹福良. Virtual.Lab Acoustics聲學仿真計算高級應用實例[M]. 北京: 國防工業出版社, 2010.

(責任編輯: 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, 研究方向為武器系統總體技術.