桨—轴—艇耦合结构的振动和声辐射特性理论与试验研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文桨-轴-艇耦合结构的振动和声辐射特性理论与试验研究博士研究生：吴仕昊指导教师：华宏星教授学科专业：机械设计及理论研究方向：振动噪声机械系统与振动国家重点实验室二〇一五年四月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityforDoctorofPhilosophyTHEORETICALANDEXPERIMENTALSTUDYONVIBRATIONANDSOUNDCHARACTERISTICSOFPROPELLER-SHA

2、FT-SHELLCOUPLEDSTRUCTURESPh.DCandidate:WuShihaoSupervisor:Prof.HuaHongxingMajor:MechanicalEngineeringDirection:VibrationandSoundRadiationShanghaiJiaoTongUniversityStateKeyLaboratoryofMechanicalSystemandVibrationApril,2015申请上海交通大学博士学位论文摘要摘要随着各国军事实力的不断进

3、步和发展，潜艇隐蔽性能越来越得到各国的重视，通过对桨-轴-艇耦合结构的振动和声辐射特性研究寻求减振降噪的有效途径，已逐渐成为潜艇振动噪声控制的重要研究方向之一。以往针对简单均匀结构振动声辐射特性研究的方法在满足当前实际工程需求方面存在不足，所以需要探索一种更加准确、高效的桨-轴-艇复杂非均匀结构的建模计算方法，并对其进行机理性分析。本文从理论计算和试验测量两个层面对桨轴艇耦合结构的振动和声辐射特性问题进行了研究，探讨了艇体的质量和刚度非均匀性对其振动和声辐射特性的影响，主要研究内容包括：理论计算方

4、面，本文首先基于半解析区域分解法高精度、高效率的优势，研究了非均匀结构的自由振动和强迫振动问题。其中，非均匀结构包括加肋壳体和桨-轴-艇耦合结构两大类。加肋壳体包括环筋、纵筋、正交加筋和“双周期”加筋结构。在分析中，通过考虑各个周向波数之间、周向波数与轴向波数、对称模态和反对称模态的耦合项，解决了非均匀加筋壳体的振动问题，并从周向波数对结构振动响应贡献的角度研究了结构的耦合模态特性。并在此基础上，建立了桨-轴-艇复杂耦合结构的半解析模型。在以往的研究中，由于螺旋桨建模的复杂性，其对桨轴艇耦合结构振

5、动特性的影响往往被忽视。在本文的模型中，通过考虑模拟螺旋桨三个方向质量的刚性桨以及第一、二阶模态频率的弹性桨，成功解决了该问题。轴系子系统考虑了纵向、横向以及垂向弯曲振动，解决了以往在进行轴艇耦合振动特性分析时，由于建模困难而忽视轴系三向振动的弊端。艇体采用带有隔舱壁的加筋组合壳体进行模拟。轴系与艇体通过弹簧系统连接，并通过考虑其纵向和径向的振动，模拟了艉轴承和推力轴承等结构。该模型解决了以往（半）解析法难以系统地分析桨轴艇耦合结构振动特性的问题，为后续参数化和机理性分析奠定了基础。其次，为了实现

6、对更接近实艇的复杂模型进行求解，本文采用有限元/边界元耦合分析法对带有复杂轴系子系统的桨-轴-艇耦合结构进行了仿真分析。研究了螺旋桨激励力经轴系激励艇体所引起的艇体振动声辐射特性以及螺旋桨激励力下，桨-轴-艇耦合结构在空气中和水中的振动和声辐射特性，并重点考虑了艇体的质量和刚度非均匀性对该特性的影响。分析结果表明：螺旋桨纵向激励力不仅可以激起轴壳耦合结构的纵向振动模态，还可以激发结构的弯曲振动模态。对于非均第I页申请上海交通大学博士学位论文摘要匀艇体，无论是在螺旋桨纵向激励力下或者垂向激励力作用下

7、，在局部频段上均会出现由于附加质量所引起的局部鼓出模态与艇体弯曲振动耦合的模态所引起的共振峰，只是纵肋和附加质量与艇体模态在对应不同的共振峰时的耦合程度有所不同，并分析了质量和刚度非均匀性对附连水质量系数的影响。另外，还可以发现艇体在某些模态出现纵向伸缩的同时会伴有周向局部鼓出的现象，从而引起结构的纵向模态与周向模态的耦合，产生辐射声。本文在进行流固耦合分析时，先TM基于有限元ANSYS软件获取结构的干模态，然后在此基础上，通过边界元TMVirtualLabAcoustics软件计算结构的湿模态，

8、并研究其声辐射特性，避免了传统方法需在有限元软件中建立流体域的过程，从而大大地提高了数值仿真计算效率。试验研究方面，为了验证所建理论模型的正确性以及揭示复杂耦合结构在水中的振动声辐射特性规律，本文设计并搭建了螺旋桨-轴系-壳体耦合结构的试验，并分别研究了艇体在空气中和水中的振动特性。结果发现：试验结果与理论计算结果误差很小，说明仿真模型的可靠性和本文所采用的模态叠加法声学计算方法所得结果的正确性。此外，还在水中对该耦合结构进行了声学测试，通过将测试结果与仿真结果进行对比分析，进一步