基于聲輻射特性分析的艙壁邊緣開孔參數優化設計研究

儀修陽，周其斗，紀 剛

(海軍工程大學 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孔參數優化設計研究

儀修陽，周其斗，紀 剛

(海軍工程大學 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

為滿足潛艇設計整體性、實用性和技術性要求，結構組、管路組及機電組等需對特殊艙壁邊緣進行開孔處理。為研究艙壁邊緣開孔對潛艇水下振動和聲輻射特性的影響，以兩艙段環肋圓柱殼為研究對象，采用結構有限元耦合流體邊界元方法，通過FORTRAN和DAMP混合編程，計算了在不考慮開孔加強結構條件下不同開孔位置、開孔數目及開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孔參數優化方案，為潛艇艙壁結構設計提供合理依據。

艙壁邊緣開孔；聲輻射；環肋圓柱殼；參數優化方案

0 引 言

潛艇在水下航行，結構與外域流體相互作用向外輻射聲信號，聲信號在海洋中通過海洋聲道進行長距離傳播[1 – 3]，成為反潛技術偵聽目標。潛艇聲隱身技術雖然已經取得重大進步，但對于新型潛艇聲隱身技術的探索和研究腳步從未停止[4]。艙壁邊緣開孔是潛艇常見的結構，研究其對聲輻射功率的影響規律，對潛艇結構聲學優化設計意義重大[5]。水下圓柱殼的聲輻射特性[6 – 7]因其在工程和國防領域的重要影響，已經為眾多的學者所研究[8]。黃振衛等[9]探討了艙壁中心開孔的環肋圓柱殼聲輻射特性，為本文提供了研究思路；G. C. Everstine[10]提出采用有限元結構模型耦合邊界元的方法進行聲學分析的理論，為本文提供了程序計算依據；ZHOU Q D等[11]提出了一種計算水下結構聲輻射和動力響應的數值方法，為本文提供了理論指導和科學依據；紀剛等[12]采用FORTRAN代碼計算外域流體附加質量和附加阻尼矩陣，采用結構有限元分析程序對結構和流體內域做有限元分析，采用DMAP代碼將附加質量和附加阻尼矩陣相疊加，實現了流固耦合計算，為本文提供了計算程序基礎。

潛艇局部區域存在著機電管路、排水管路及通風管路等集中穿過的結構，邊緣開孔艙壁為這種結構分布提供了可能，而相關方面的聲學研究甚少。本文總結分析了文獻[9]關于艙壁中心打孔對于圓柱殼聲學特性優化設計的啟示，并計算了兩艙段環肋圓柱殼不同艙壁邊緣開孔參數的結構濕表面輻射聲功率級曲線，得到了不同參數的曲線峰值數，從而為本文的艙壁邊緣開孔優化設計提供技術支持。

1 兩艙段環肋圓柱殼幾何模型及有限元建模

環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[14]中的環肋圓柱殼為研究對象，探討了艙壁邊緣開孔參數優化設計的方案。表1為單艙段環肋圓柱殼參數，圖1為兩艙段環肋圓柱殼幾何示意圖，每一艙段結構相同，參數參考表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。數值模擬時，以圓柱殼結構幾何中心為圓點，半徑為6.096 m的圓周上均勻設置72個水聽器點。單點激振力作用在其中一個艙段的中間肋骨處，如圖1所示，幅值參考文獻[11]。為得到艙壁邊緣開孔參數優化設計方案，本文采用附加質量附加阻尼算法對模型在單點激振力作用下的聲輻射特性進行了計算，其中開孔參數設置為：m為開孔數量，r為開孔半徑，Φ為開孔分布角度。圖1描述了兩艙段環肋圓柱殼水下位置，圓柱殼在水下處于完全自由狀態。

表 1 圓柱殼相關參數Tab. 1 Relative parameters of cylindrical shell

采用MSC.PATRAN對兩艙段環肋圓柱殼進行有限元建模。根據計算軟件對有限元模型的計算要求，圓柱殼濕表面采用三節點三角形單元建模，其余結構采用四節點四邊形單元進行建模，相鄰結構共用節點。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隱藏），圖3所示為內部結構（去濕表面）的示意圖，圖4所示為開孔分布角度分別為90°和360°的艙壁模型。

2 結構有限元算法

流固耦合問題已成為研究環肋圓柱殼水下聲輻射特性的重點，為此，本文將采用結構有限元耦合流體邊界元的附加質量附加阻尼算法[9]來計算兩艙段環肋圓柱殼水下振動與聲輻射。該方法采用由流體到結構進行解耦的方式實現流固耦合問題的解耦，研發大型水下結構流固耦合聲輻射計算程序的優點在于，通過FORTRAN和DAMP語言混合編程實現流固問題的解耦，并通過通用有限元軟件NASTRAN實現大型復雜結構流固耦合振動和聲輻射問題的計算[11, 13]。圖5清楚地描述了結構-流體相互作用的系統，外界流域Ω0被任意形狀的彈性薄殼S0分開，流體密度為ρ0聲速為c0。

對兩艙段環肋圓柱殼，采用通用的有限元離散方法，并考慮穩態響應問題，可以得到方程：

式中：KS為剛度矩陣；MS為質量矩陣；CS為阻尼矩陣；δ為節點位移；f為結構上的節點載荷；pout為艇外流體對結構的等效節點載荷。

并結合公式[11 – 12]

分析式（3）可以得到結構位移并提取結構-外域流體界面交接面上的節點位移，從而得到濕表面的法向位移向量U。結構輻射聲功率級W可由下式計算

3 艙壁邊緣開孔優化設計分析

本文探究了不同開孔參數對結構水下聲輻射功率級的影響，分別計算了如表2所示9種模型的水下輻射聲功率，根據不同參數對聲功率的影響，得到艙壁邊緣開孔優化設計方案。激振頻率和步長如表3所示，計算時考慮了水面反射的影響。

3.1 開孔數量參數優化設計

為研究開孔數量參數的優化設計方案，參照表2，本文計算了工況1所示的開孔數量m分別為0，8及16的兩艙段環肋圓柱殼的輻射聲功率級曲線，如圖6所示。

根據圖6推斷：開孔數量對結構聲輻射功率影響較大，總體上，聲功率隨開孔數量呈遞增趨勢。為直觀分析開孔數量優化設計方案，得到不同開孔數量的聲功率級峰值數，見表4。根據圖6及表4可以得到開孔數量參數優化設計方案：在滿足機電管路、排水管路等結構空間安排時，減少艙壁邊緣開孔數量，可有效降低環肋圓柱殼水下輻射聲功率級，減少聲功率級峰值數。

表 2 開孔參數Tab. 2 Different parameters of hole

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

表 4 開孔數量對輻射聲功率級峰值數的影響Tab. 4 Effect of different hole numbers on the peak number of radiated acoustic power level

3.2 開孔半徑參數優化設計

為研究開孔半徑參數的優化設計方案，參照表2，本文計算工況2所示的開孔半徑r分別為40 mm，80 mm及160 mm的兩艙段環肋圓柱殼的輻射聲功率級曲線，如圖7所示。

根據圖7推斷：兩艙段環肋圓柱殼水下輻射聲功率級隨開孔半徑呈遞增趨勢。為直觀分析開孔半徑優化設計方案，得到了輻射聲功率級曲線峰值數，見表5。根據圖7及表5可以得到開孔半徑參數優化設計方案：減小艙壁邊緣開孔半徑，有利于降低環肋圓柱殼輻射聲功率級，有效減少輻射聲功率級峰值數。

表 5 開孔半徑對輻射聲功率級峰值數的影響Tab. 5 Effect of different hole radiuses on the peak of radiated acoustic power level

3.3 開孔分布角度參數優化設計

為滿足艙段內部結構的安排要求，艙壁邊緣開孔分布成為設計部門的重點。為研究開孔分布角度參數的優化設計方案，參照表2，本文計算了工況3所示的分布角度Φ分別為90°，180°及360°的兩艙段環肋圓柱殼的輻射聲功率級曲線，如圖8所示。

根據圖8推斷：開孔分布角度對結構輻射聲功率級的分貝值影響很小，可以忽略。結合圖8及曲線數據，得到輻射聲功率級曲線峰值數，見表6。根據分析結果，可以得到開孔分布角度優化設計基本方案：開孔分布對稱化、均勻化可有效降低輻射聲功率級的峰值數。

表 6 開孔分布對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 語

本文以環肋圓柱殼為研究對象，采用結構有限元耦合流體邊界元方法，實現了基于MSC.PATRAN軟件的結構有限元建模，采用NASTRAN計算軟件分別計算了不同艙壁邊緣開孔參數的兩艙段環肋圓柱殼水下輻射聲功率級曲線，得到了開孔參數優化設計方案：適當減少開孔數量，減小開孔半徑，有利于降低圓柱殼水下輻射聲功率級，并減少其峰值數；開孔分布角度對圓柱殼水下輻射聲功率級的影響很小，可以忽略，但開孔分布對稱化，可有效減少輻射聲功率級峰值數。

在滿足工程需求的同時，艙壁開孔可有效減少艇體質量，但會在一定程度上改變結構的聲學特性[6]。艙壁邊緣開孔是潛艇常見結構，建議結合本文開孔優化設計方案，基于圓柱殼水下聲輻射特性，合理設置開孔參數，增強結構整體聲隱身性能。

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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(1990 – )，男，碩士研究生，研究方向為振動與噪聲控制。