水下复杂壳体结构-轴系耦合系统声振特性及其机理研究

Noise radiated from the submarine hull excited by propeller forces through the shafting is an important noise source during the navigation, and the mechanisms of vibration and force transmission are complex. Currently, the understanding of the mechanisms is far from enough and deep. There is lack of reliable theoretical guidance for the acoustic design and noise control of submarine. Thus, it is very necessary and urgent to study the vibro-acoustic characteristics and the relative mechanisms of submarine hull-shafting coupled system. This project aims to develop the modeling method for the vibro-acoustic analysis of underwater submarine hull structures and shafting-hull coupled system, and establish their mathematical models. On the basis of mathematical modeling, the vibro-acoustic behaviors of hull and the mechanisms of force transmission from the propeller/shafting to the hull via bearing and its base will be investigated carefully by parametric analysis. Experimental studies will also be conducted to validate the modeling methods and numerical models. This study will provide the reliable and useful conclusions and references for the structural acoustic optimization design of the shafting-hull coupled system and submarine hull structures. So the study has important theoretical and practical significance.

螺旋桨激励力通过轴系激励艇体引起的辐射噪声是潜艇水下航行辐射噪声的重要组成部分且振声传递和产生机理复杂，目前针对此机理问题的研究和认识严重不足，导致围绕此问题的理论研究、声学设计和装备研制过程中，往往投入了巨大的人力、物力，仍抓不到问题的本质，缺乏采取有效控制措施所需的可靠的理论指导。因此，开展水下艇体结构-轴系耦合系统声振特性及其机理研究显得尤为必要和迫切。本课题旨在发展水下复杂艇体壳体结构、轴系-壳体耦合系统的声振理论建模分析方法，在建立相应的数学物理模型基础上，深入研究激励力经轴系-轴承-基座到壳体的传递和耦合振动特性及其引起的壳体水下声辐射特性及其机理，并对振声传递影响较大的重要系统参数及影响规律进行分析，相应结果和方法通过实验验证。从而为潜艇轴系－艉部结构声学优化设计以及有针对性地进行轴系-艇体耦合振动声辐射控制提供扎实可靠的理论依据，该研究具有重要的理论和实际意义。

螺旋桨激励力通过轴系激励艇体引起的辐射噪声是潜艇水下航行辐射噪声的重要组成部分且振声传递和产生机理复杂，目前针对此机理问题的研究和认识严重不足。因此，开展水下艇体结构-轴系耦合系统声振特性及其机理研究显得尤为必要和迫切。本课题发展建立了水下复杂组合壳体结构、轴系-壳体耦合系统的声振理论解析建模方法，在建立其数学物理模型的基础上，揭示了激励力经轴系-轴承-基座到壳体的传递规律以及引起的壳体结构振动声辐射特性及其机理。首先，发展了基于改进傅里叶-谱元方法的复杂壳体结构动力学建模求解方法，主要包括谱单元的划分方法、改进傅里叶位移容许函数的构建和系统动力学方程的建立和求解等。提出了一种将改进傅里叶与边界积分法相结合的声振耦合建模方法，构建了壳体表面辐射声压与结构振动的耦合关系，并通过对外界流体介质、壳体结构类型及耦合和边界条件进行一般化描述，建立了适用于各种壳体结构形式和任意边界条件的水下壳体组合结构声振耦合分析模型。在此基础上，分析了壳体结构的声振耦合特性和振声能量辐射规律。其次，在对壳体声振耦合建模的基础上，通过对关键传递和耦合环节的合理简化建模，建立了考虑轴承及基座等关键因素和参数在内的水下轴系-壳体耦合系统动力学的数学物理模型。研究了水下复杂壳体耦合系统振声能量传递规律和机理，分析了激励力经轴系-轴承-基座到壳体的传递规律及其引起的壳体结构振动声辐射特性机理。重点对系统振声传递影响较大的重要系统和结构参数及其影响规律进行深入分析，分析揭示了各轴承刚度、推力轴承基座形式和结构参数、激励力方向等关键因素对系统声振特性的影响规律及其机理。最后，开展了轴-壳体耦合结构缩比模型消声水池实验，验证了建模计算方法及结果的可靠性与准确性。研究工作可为轴系-壳体耦合系统结构声学优化设计以及进一步有针对性地进行螺旋桨引起的轴-艇体耦合振动声辐射控制提供理论基础和分析方法手段支撑。