纵桁分布方式对结构振动与声辐射的影响

刘　帆,周其斗,纪　刚,黄振卫,段嘉希

(海军工程大学， 武汉　430033)



纵桁分布方式对结构振动与声辐射的影响

刘帆,周其斗,纪刚,黄振卫,段嘉希

(海军工程大学， 武汉430033)

摘要：研究纵桁分布方式对结构振动与声辐射的影响,对于实际水下大型结构物的声学分析和优化具有重要的指导意义；以加肋圆柱壳为研究对象,采用了结构有限元耦合流体边界元算法,研究了不同纵桁间距分布方式对结构振动与声辐射的影响；数值计算结果表明:对于本算例,在频率大于400 Hz时,纵桁的存在对加肋圆柱壳水下的减振和降噪有良好的效果；其中,等比增加间距的纵桁分布方式对结构减振和降噪效果最好；但纵桁的存在增大了结构在高频时的辐射效率,同时也增加了结构重量,这在设计时是需要考虑的。

关键词:加肋圆柱壳；纵桁；声辐射；分布方式；有限元-边界元

本文引用格式：刘帆,周其斗,纪刚,等.纵桁分布方式对结构振动与声辐射的影响[J].兵器装备工程学报，2016(1):142-146.

Citation format:LIU Fan, ZHOU Qi-dou, JI Gang,et al.Effect on Structural Vibration and Sound Radiation Due to Distribution of Longitudinal Beams[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):142-146.

为了满足工程结构强度的要求,潜艇耐压壳体内,一般都有支撑结构。例如纵桁，对于耐压壳体而言,纵桁的间距分布方式发生改变后,会导致结构形式的改变,进而对结构振动与声学特性产生影响。因此,有必要研究纵桁间距分布方式对潜艇水下振动与声辐射的影响规律,这对于实际潜艇声学分析和优化具有重要的实际指导意义。

圆柱壳作为潜艇结构的典型结构,近年来对其振动与声辐射特性研究比较多[1-5]。文献[6]利用ANSIS和SYSNOICE软件对加肋圆柱壳在建造过程中可能出现的椭圆度、线倾斜、舱壁倾斜等多种误差对结构声辐射特性的影响进行了研究。文献[7]采用结构有限元耦合流体边界元算法,对加肋圆柱壳的水下辐射噪声进行了数值计算,探讨了工程上可能出现的肋骨焊接缺陷对加肋圆柱壳振动与声辐射的影响。为了研究纵桁对结构振动与声辐射的影响,许多国内学者开展过这方面的研究[8-10]。文献[9]采用附加质量附加阻尼的边界元算法研究了纵桁数量对结构振动与声辐射的影响,作者认为纵桁对结构减振降噪有较好的效果,且数量越多,减振降噪效果越明显。文献[10]以两端带平板的圆柱壳为计算模型,采用结构有限元耦合流体边界元算法研究了纵桁高度、宽度和数量对结构振动与声辐射的影响。文献[1-7]主要针对圆柱壳的声学相似性、制造误差、肋骨焊接缺陷等方面进行了研究,文献[8-10]中主要是采用了纵桁等间距分布的圆柱壳进行了研究,但对于纵桁间距的不同分布方式对圆柱壳结构振动与声辐射的影响研究比较少。

工程上,结构有限元耦合流体边界元算法被认为是解决流固耦合问题的最佳途径,并且这种方法有效性得到了较好的验证[11-13]。本文以加肋圆柱壳为研究对象,采用附加质量附加阻尼的边界元算法,就不同的纵桁分布方式的结构振动与声辐射进行了数值研究,从均方法向速度、辐射声功率和辐射效率3个方面探讨了纵桁间距分布方式对加肋圆柱壳水下振动与声辐射的影响。

1结构有限元耦合流体边界元算法

文献[11]给出了一种附加质量与附加阻尼的边界元算法,该算法的有效性已在文献[12]中得到了很好的验证。结构水下振动与声辐射问题的求解,其实质是一个流固耦合问题的解耦,假设流体为理想无粘性,无旋,c0为流体声速,k为波数,ω为角频率。

结构被视为弹性体,在线性、均匀、各向同性的条件下,满足平衡方程、物理方程和几何方程,采用有限元离散,可以得到:

(1)

采用文献[11]和文献[12]中的方法可以求解得到

(2)

式(2)中,M,N分别为外域流体对结构的附加质量和附加阻尼矩阵。

将式(2)代入方程(1),得到最终的流固耦合方程为

(2)本区变异系数Cv<0.1的元素(指标)有K2O、MgO、B、Ge、F、Cr、Al2O3、SiO2、PH，具弱变异特征，反映这些元素(指标)分布比较均衡；0.1≤Cv≤1的元素有N、P、TFe2O3、Na2O、Corg、CaO、Mo、Mn、Se、As、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、Sb，具中等变异特征，反映这些元素(指标)分布较为离散，易于次生富集。

(3)

求解方程(3)即可求得湿表面振动位移向量,进而利用公式[13]：

(4)

(5)

(6)

(7)

得到声功率级,均方法向速度级,式中Wref=10-12W,Vref=5×10-8m/s。

2几何模型及有限元建模

本文采用附加质量附加阻尼的边界元算法,以加36根纵桁的加肋圆柱壳为研究对象,计算了在3种不同的纵桁间距分布方式时,柱壳结构的振动与声辐射特性。图1为圆柱壳基本结构图,表1为柱壳结构的几何尺寸及材料参数,模型中心距离水面3 m。将18根纵桁采用不同的间距分布在半个圆柱壳上,另外18根采用对称的方式分布于另外一半圆柱壳上。为了方便研究,将纵桁间距定义为纵桁之间壳板对应的中心角度θ。3种不同纵桁间距的分布方式的计算工况如表2所示。激励力作用于如图1所示的圆柱壳内肋骨上,加力点为x轴正方向。

表1　圆柱壳相关参数

图1　柱壳结构基本结构

采用MSC.PATRAN对不同纵桁分布方式下的4个加肋圆柱壳进行有限元建模,依据后续计算软件对有限元单元形式的要求,圆柱壳及端盖采用三节点三角形单元建模,肋骨和纵桁采用四节点四边形单元建模。图2为4种结构的有限元建模示意图。图3为标准结构和3种加纵桁结构的俯视图，去掉端盖和肋骨，从中可形象看出纵桁的分布方式。表3为4种结构的有限元建模网格的节点数和单元数。

表2　计算工况

图2　4种模型有限元模型

图3　不同纵桁分布方式俯视图

模型节点数单元数标准结构16583060模型125704308模型246228160模型337466588

3数值计算及结果比较分析

本文计算了前述4种模型在激振力作用下,不同纵桁分布方式对结构振动和声辐射特性的影响,激振频率和步长如表4所示,计算时考虑水面反射的影响,计算边界为自由边界。

表4　激振频率和步长

结构在空气中的固有频率见表5,从表中可以看出,纵桁的存在改变了结构的固有频率,不同纵桁分布方式对结构固有频率的改变有一定的区别。

表5　固有频率

图4为模型振动与声辐射传递函数频响曲线,图4(a)为结构的均方法向速度级的频响曲线,图4(b)为结构辐射声功率级的频响曲线,图4(c)为结构辐射效率级的频响曲线。从图4(a)和图4(b)中可以看出:(1)与标准结构相比,在低频时,加纵桁的结构的均方法向速度级和辐射声功率级频响曲线差别不大；(2)随着频率的增加,均方法向速度和辐射声功率频响曲线之间差别逐渐变大,主要是加纵桁的结构改变了部分峰值频率,振动和噪声明显下降；(3)与标准结构相比,频率较高时,纵桁等比增加的分布方式对与结构的减振降噪效果最好。从图4(c)可以看出,与标准结构相比,低频时加纵桁结构的辐射效率级频响曲线与标准结构的辐射效率级频响曲线相差不大；随着频率增加,频响曲线差别逐渐增大。

以模型振动与声辐射传递函数的频响曲线在一定频率区间下的面积作为衡量结构声学特性的另一指标。如图4所示,如果在一定频率段下,频响曲线所围的面积越大,则相应的结构振动或者辐射声功率大,反之则结构振动或者辐射声功率小。

将标准结构在50～990Hz频率范围内均方法向速度频率曲线下的面积记为B01,纵桁不同分布方式下的圆柱壳在相应频率曲线下的面积记为B1,则不同的纵桁分布方式下的圆柱壳的均方法向速度比基本圆柱壳在50～990Hz频率范围高出的分贝数为10lg(B1/B01)。

对于本节中的3种模型,计算其在50～300Hz、300～500Hz、500～750Hz、750～990Hz和50～990Hz五种频率范围内的值,如表6所示,负值表示较基本圆柱壳结构低,正值表示较基本圆柱壳结构高。

图4　模型振动与声辐射传递函数频响曲线

结构类型频率范围/Hz50～300300～500500～750750～99050～990均方法向速度标准结构/dB00000模型1/dB-0.0888-0.1062-0.3203-0.3411-0.2147模型2/dB-0.0827-0.0856-0.2478-0.3492-0.1913模型3/dB-0.1093-0.1245-0.3999-0.4104-0.2572辐射声功率标准结构/dB00000模型1/dB-0.0564-0.0685-0.2784-0.2664-0.2176模型2/dB-0.0413-0.1428-0.2035-0.3175-0.2288模型3/dB-0.0738-0.1947-0.3428-0.3610-0.3050辐射效率标准结构/dB00000模型1/dB0.03880.05600.00390.11420.0641模型2/dB0.03310.01530.01930.02740.0238模型3/dB0.01230.00080.05200.04680.0398

由表6可以看出:在5段频率范围内,3种模型的均方法向速度和辐射声功率都比基本圆柱壳的均方法向速度和辐射声功率低,模型3低得最多,说明加纵桁的圆柱壳体减振降噪效果较无纵桁更好,其中加等比增加间距纵桁的圆柱壳体减振降噪效果最好；但3种模型的辐射效率都比基本圆柱壳的辐射效率高,说明纵桁在减振降噪的同时增大了结构的辐射效率。

图5　频谱曲线下的面积

4结论

以加肋圆柱壳为研究对象,采用附加质量附加阻尼的边界元算法,就不同的纵桁间距分布方式下,结构的振动与声辐射进行了数值研究,从均方法向速度、辐射声功率和辐射效率3个方面探讨了纵桁间距分布方式对加肋圆柱壳水下振动与声辐射的影响。通过对计算结果的比较和分析,得到以下结论:

(1)总体来说,在高频时纵桁的存在对加肋圆柱壳水下的减振和降噪有良好的效果；其中加等比增加间距的纵桁对其减振和降噪效果最好。

(2)纵桁在起到减振降噪的效果的同时也增大了结构的辐射效率,同时与标准结构相比纵桁的存在也增加了结构重量,这在设计时是需要考虑的。

参考文献：

[1]谢志勇,周其斗,纪刚.双层柱壳的流固耦合计算与实验研究[J].海军工程大学学报,2009,21(2):97-101.

[2]王路才,周其斗,纪刚,等.以舱段模型代替整艇模型进行噪声估算的可行性探讨[J].中国舰船研究,2010,5(6):26-32.

[3]俞孟萨,史小军,陈克勤.采用有限元和边界元方法分析弹性加肋圆柱壳的声学相似性[J].中国造船,1999,3(2):65-71.

[4]黄振卫,周其斗,纪刚,等.舱壁打孔的加肋圆柱壳振动性能分析[J].中国舰船研究,2012,7(1):41-46.

[5]俞孟萨,吴永兴,吕世金.加肋圆柱壳振动相似性试验研究[J].中国造船,2002,43(2):50-57.

[6]张盛,金翔,周桦,等.加肋圆柱壳制造误差对声学性能的影响研究[J].中国舰船研究,2011,6(4):43-50.

[7]黄振卫,周其斗,纪刚,等.焊接缺陷对加肋圆柱壳水下辐射噪声的影响[J].中国舰船研究,2011,6(6):58-65.

[8]廖长江,蒋伟康,王云,等.水中有限长纵向加肋圆柱壳振动与声辐射[J].上海交通大学学报,2009,43(2):325-329，324.

[9]王路才,周其斗,纪刚.纵桁对加肋圆柱壳体水下振动与声辐射的影响[J].海军工程大学学报,2012,24(2):87-92.

[10]石焕文,盛美萍,孙进才等.加纵肋平底圆柱壳振动与声辐射的FEM/BEM研究[J].振动与冲击,2006,25(2):88-92 116 187.

[11]ZHOUQ,ZHANGW,JOSEPHPF.Anewmethodfordeterminingacousticaddedmassanddampingcoefficientsoffluid-structureinteraction[C]//TheEighthInternationalSymposiumonPracticalDesignofShipsandOtherFloatingStructures,Elsevier,Amsterdam,2001：185-1195.

[12]ZHOUQ,JOSEPHPF.Anumericalmethodforthecalculationofdynamicresponseandacousticradiationfromanunderwaterstructure[J].JournalofSoundandVibration,2005,283(3/5):853-873.

[13]纪刚,张纬康,周其斗.静水压力作用的水下结构振动及声辐射[J].中国造船,2006,47(3):37-44.

[14]黄振卫，周其斗，纪刚，等.肋骨偏移误差对结构振动与声辐射的影响 [J].四川兵工学报，2014(10):138-142.

(责任编辑杨继森)

【基础理论与应用研究】

Effect on Structural Vibration and Sound Radiation Due to

Distribution of Longitudinal Beams

LIU Fan, ZHOU Qi-dou, JI Gang, HUANG Zhen-wei, DUAN Jia-xi

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract:The investigation of the influence of the distribution of the longitudinal beams on vibration and acoustic radiation of the submarine is of great significance for acoustic analysis and structure optimization design. A structural finite element coupled with fluid boundary element method (FEM-BEM) was adopted to investigate the effect on the vibration and acoustic radiation of a stiffened cylindrical shell due to the distribution of the longitudinal beams. Numerical calculation points out that longitudinal beams also can decrease the cylindrical shell’s noise and vibration when the frequency is above 400 Hz for this calculate example. And distribution of the longitudinal beams with geometric intervals makes the best effect on the structure. However, longitudinal beams increase cylindrical shell’s radiation efficiency during high frequency, and in addition, its weight adds to the structure, which ought to be considered in design.

Key words:stiffened cylindrical shell; longitudinal beams; sound radiation; distribution way; FEM-BEM

文章编号：1006-0707(2016)01-0142-05

中图分类号：U661.1

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.034

作者简介：刘帆(1991—)，男，硕士研究生，主要从事振动与噪声控制研究。

收稿日期：2015-06-10；修回日期：2015-07-25