潜浮状态下圆柱壳结构声振特性的研究

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1、ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringTheVibro-acousticCharacteristicsofCylindricalShellsintheStateofImmersionandFloatingPh.D.Candidate:YeWenbingDesignandConstructionofNavalMajor:ArchitectureandOceanStructureSupe

2、rvisor:Prof.LiTianyunHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaJuly15,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解

3、学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要论文的工作是国家自然科学基金资助项目“水下流场－圆柱壳耦合系统的振动能量流特性研究”（项目编号：40976058）的一部分。论文的目标是研究浸没在有限域流场中

4、的圆柱壳结构的声振特性，基于波传播的方法，分别对半浸状态下圆柱壳结构、部分浸没状态下圆柱壳结构以及有限浸没深度下考虑自由液面影响的圆柱壳结构以及考虑刚性壁存在下的圆柱壳结构的远场辐射声压和输入能量流进行了系统的研究。论文首先对本领域的国内外研究现状进行比较系统的介绍，分别介绍了自由声场下圆柱壳流场耦合系统声振特性研究，概括了结构声辐射的分析方法，回顾了半无限域下结构声振特性的研究以及介绍了镜像原理在声学领域中的应用。论文的第二部分对半浸状态下的圆柱壳结构为对象进行研究分析，这里的半浸状态是指圆柱壳结构的轴线与自由液面共面，圆柱壳结构的一半表面积浸没在

5、流场中，另外一半表面积所在的环境假设为真空。为了满足自由液面处的边界条件，可以通过级数展开的形式给出流体声压的表达式，进而通过圆柱壳流场交界处的连续条件建立结构和声压间的联系，最终得到流固耦合振动方程。通过稳相法，得到圆柱壳结构远场声压的近似表达式，计算了半浸状态下的远场辐射声压并与无限域中的结果进行了对比分析。在对半浸状态下圆柱壳结构进行计算，特别是进行能量流的计算时，发现这种半无限域的存在导致了各阶周向模态之间是互相耦合的，这种耦合使得计算效率大为降低，计算时间急剧增加。基于此，针对半浸状态下圆柱壳结构辐射声压的快速计算方法展开了研究。这里借鉴有

6、限长圆柱壳结构的解耦思路，认为半浸圆柱壳结构的耦合振动方程所得阻抗矩阵中非对角元素为零，从而对耦合方程进行解耦，通过对比验证了这种思路的可行性。基于这种解耦方法，计算分析了不同周向模态下半浸状态圆柱壳结构的输入能量流特性。接下来对部分浸没状态下圆柱壳结构的声振特性展开分析，考虑到部分浸没状I华中科技大学博士学位论文态下流体声压的解析表达式不易直接给出，文中采用参考文献中声学边界的近似处理方法，给出了流体声压载荷的近似表达式，最终计算分析了部分浸没状态下圆柱壳结构的远场辐射声压和输入能量流特性。对于有限浸没深度下考虑自由液面影响的圆柱壳结构，这里利用镜

7、像原理来处理自由液面处的流体声学边界条件，利用汉克尔函数的Graf加法定理，建立了实源和镜像所处的两个坐标系之间的联系，最后利用流体和结构边界处的连续条件，最终建立了这种浸没状态下声固耦合振动方程。计算了圆柱壳结构的远场辐射声压并与无限域中的结果进行对比分析，研究发现，当圆柱壳结构离自由液面距离较近时，圆柱壳结构的辐射声场表现出较大的差异性；而当圆柱壳结构离自由液面距离足够大时，其辐射声场和无限域中的结果基本一致。实际工程中，也存在诸如海底和码头壁面的情况，文中将海底和码头壁面近似当成刚性壁面来处理，建立了刚性壁面存在时水下圆柱壳结构的声固耦合振动方

8、程，对其远场辐射声压进行计算，并与考虑自由液面影响下的结果进行对比分析。最后对自由液面和刚性壁面同时存在时的