复杂组合壳结构水下声辐射的定量计算方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及船舶结构特别是水下航行器的结构声学设计领域，具体设计一种复杂 组合结构水下声辐射的定量计算方法及系统。
【背景技术】
[0002] 舰船振动噪声一直是国内外研宄的热点，由海洋资源开发和利用引起的海上摩擦 日益增多，海军强国不断提高其海、空探测设备的技术水平，舰船的隐蔽性遭受越来越严峻 的挑战，其隐蔽性是决定战斗力和生存力的主要因素。舰船的辐射噪声一方面会把自己暴 露给敌方；另一方面舰船的声呐进行探测也需要考虑噪声的限制，舰船结构声隐身性能的 军事重要性越来越显突出。因此，开展舰船声学结构设计是保证舰船生命力和战斗力的重 要手段。因此，在船舶结构声学设计时，需要进行振动噪声的定量评估。
[0003] 船舶结构的振动和声辐射问题实质是一个复杂的流-固耦合问题。船舶结构水下 噪声的计算方法现已形成并用于工程设计的主要有：理论计算方法、数值计算方法和工程 估算法。目前理论方法主要是针对圆柱壳模型的研宄。这些计算模型改变了外部流场域的 真实情况，因此计算模型与实际船舶模型不一致，所以与真实船舶结构的振动噪声结果存 在一定的差别。数值方法通过结构离散办法（有限元、边界元及有限元结合边界元）或能 量法（统计能量分析方法）能够很好的预报舰艇结构详细设计过程中的水下振动噪声，但 是难以解释深层次的物理机理，而且受限于计算频带。但模型的范围、边界处理、参数的选 取等引起的计算误差很大，需要进一步完善。工程估算法是在理论推导和试验验证的前提 下，基于测试数据和经验公式总结归纳形成的预报方法，但需要大量实船测试数据的统计 归纳，由于目前实船数据的支撑不够，因此还难以广泛应用。
[0004] 因此上述方法均不能很好模拟船舶特别是水下航行器的水下声辐射。而且，关于 包含球壳及舱壁等结构和流体介质在内复杂组合壳系统的计算和处理方式尚未见报道。
【发明内容】
[0005] 针对上述缺陷或者不足，本发明提供了一种基于精细算法的复杂组合壳结构振动 响应定量计算方法，能够定量计算由圆柱壳、圆锥壳、球壳、加强筋及舱壁等组成的复杂组 合壳的振动响应，为船舶特别是水下航行器的振动综合评估提供依据。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 提供一种复杂组合壳结构水下声辐射的定量计算方法，包括以下步骤：
[0008] (a)获取流体介质中组合壳系统的结构参数和激励参数，所述结构参数包括组合 壳系统中各个结构的几何尺寸、材料特性参数；激励参数包括激励力的幅值及分布位置；
[0009] (b)根据获取的结构参数和激励参数，在组合壳表面上沿母线方向进行配点，采用 精细积分方法计算组合壳系统各配点间的场传递矩阵和点传递矩阵，并计算外力向量；
[0010] (C)根据组合壳系统两端边界条件和结构连续条件，建立流体介质-组合壳系统 的动力学模型；所述流体介质-组合壳系统动力学模型为：
[0011；
[0012] 式中，TdPPia =2...n)为流体介质-组合壳系统中各配点的场传递矩阵和外 激励，Zi (i = 1. .. n)为流体介质-组合壳系统中各配点处的状态向量，I为单位矩阵；
[0013] (d)通过Moore-Penrose广义逆矩阵求解得到流体介质-组合壳系统的振动响 应；
[0014] (e)根据流体介质-组合壳系统的振动响应，使用波叠加方法，求解组合结构系统 的水下声辐射。
[0015] 本发明所述的方法中，所述步骤（b)中，在计算组合壳系统各配点间的场传递矩 阵和点传递矩阵前，先判断各相邻配点间是否有加强筋或舱壁结构存在，若是，则计算各 配点间的场传递矩阵时需考虑点传递矩阵，根据精细积分办法计算获得各配点间的传递矩 阵。
[0016] 本发明所述的方法中，所述组合壳系统的结构为圆锥壳-圆柱壳-球壳组合结构， 所述组合壳系统中各个结构包括圆柱壳、锥壳、球壳、加强筋及舱壁。
[0017] 本发明所述的方法中，所述步骤（c)中，利用圆柱壳、锥壳、球壳分别进行组合壳 的建模；将环肋简化为加强筋，采用Timeshenko梁考虑三个方向平衡进行建模；将舱壁简 化为圆形板进行建模。
[0018] 本发明所述的方法中，所述步骤（e)中，使用波叠加方法，根据位移满足线性叠加 原理，分别将外激励和广义声压激励下的动响应带入流固耦合边界条件，进而求解得到圆 锥壳-圆柱壳-球壳组合结构的水下声辐射。
[0019] 本发明还提供一种复杂组合壳结构水下声辐射的定量计算系统，包括：
[0020] 原始数据获取模块，用于获取流体介质中组合壳系统的结构参数和激励参数，所 述结构参数包括组合壳系统中各个结构的几何尺寸、材料特性参数；激励参数包括激励力 的幅值及分布位置；
[0021] 传递矩阵及外力向量计算模块，用于根据获取的结构参数和激励参数，在组合壳 表面上沿母线方向进行配点，采用精细积分方法计算组合壳系统各配点间的场传递矩阵和 点传递矩阵，并计算外力向量；
[0022] 模型建立模块，用于根据组合壳系统两端边界条件和结构连续条件，建立流体介 质-组合壳系统的动力学模型；所述流体介质_组合壳系统动力学模型为：
[0023]
【主权项】
1. 一种复杂组合壳结构水下声福射的定量计算方法，其特征在于，包括以下步骤： (a) 获取流体介质中组合壳系统的结构参数和激励参数，所述结构参数包括组合壳系 统中各个结构的几何尺寸、材料特性参数；激励参数包括激励力的幅值及分布位置； (b) 根据获取的结构参数和激励参数，在组合壳表面上沿母线方向进行配点，采用精细 积分方法计算组合壳系统各配点间的场传递矩阵和点传递矩阵，并计算外力向量； (c) 根据组合壳系统两端边界条件和结构连续条件，建立流体介质-组合壳系统的动 力学模型；所述流体介质-组合壳系统动力学模型为：
式中，1\和Pi(i= 2. ..n)为流体介质-组合壳系统中各配点的场传递矩阵和外激励，Zji= 1. ..n)为流体介质-组合壳系统中各配点处的状态向量，I为单位矩阵； (d) 通过Moore-Penrose广义逆矩阵求解得到流体介质-组合壳系统的振动响应； (e) 根据流体介质-组合壳系统的振动响应，使用波叠加方法，求解组合结构系统的水 下声辐射。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（b)中，在计算组合壳系统各配 点间的场传递矩阵和点传递矩阵前，先判断各相邻配点间是否有加强筋或舱壁结构存在， 若是，则计算各配点间的场传递矩阵时需考虑点传递矩阵，根据精细积分办法计算获得各 配点间的传递矩阵。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组合壳系统的结构为圆锥壳-圆柱 壳-球壳组合结构，所述组合壳系统中各个结构包括圆柱壳、锥壳、球壳、加强筋及舱壁。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤（c)中，利用圆柱壳、锥壳、球壳 分别进行组合壳的建模；将环肋简化为加强筋，采用Timeshenko梁考虑三个方向平衡进行 建模；将舱壁简化为圆形板进行建模。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤（e)中，使用波叠加方法，根据位 移满足线性叠加原理，分别将外激励和广义声压激励下的动响应带入流固耦合边界条件， 进而求解得到圆锥壳-圆柱壳-球壳组合结构的水下声辐射。
6. -种复杂组合壳结构水下声辐射的定量计算系统，其特征在于，包括： 原始数据获取模块，用于获取流体介质中组合壳系统的结构参数和激励参数，所述结 构参数包括组合壳系统中各个结构的几何尺寸、材料特性参数；激励参数包括激励力的幅 值及分布位置； 传递矩阵及外力向量计算模块，用于根据获取的结构参数和激励参数，在组合壳表面 上沿母线方向进行配点，采用精细积分方法计算组合壳系统各配点间的场传递矩阵和点传 递矩阵，并计算外力向量； 模型建立模块，用于根据组合壳系统两端边界条件和结构连续条件，建立流体介 质-组合壳系统的动力学模型；所述流体介质-组合壳系统动力学模型为：
式中，1\和Pi(i= 2. ..n)为流体介质-组合壳系统中各配点的场传递矩阵和外激励，Zji= 1. ..n)为流体介质-组合壳系统中各配点处的状态向量，I为单位矩阵； 振动响应计算模块，用于通过Moore-Penrose广义逆矩阵求解得到流体介质-组合壳 系统的振动响应； 水下辐射计算模块，用于根据流体介质-组合壳系统的振动响应，使用波叠加方法，求 解组合结构系统的水下声福射。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括： 判断模块，用于在计算组合壳系统各配点间的场传递矩阵和点传递矩阵前，先判断各 相邻配点间是否有加强筋或舱壁结构存在，若是，则通过传递矩阵及外力向量计算模块计 算各配点间的场传递矩阵时需考虑点传递矩阵，根据精细积分办法计算获得各配点间的传 递矩阵。
8. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述组合壳系统的结构为圆锥壳-圆柱 壳-球壳组合结构，所述组合壳系统中各个结构包括圆柱壳、锥壳、球壳、加强筋及舱壁。
9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述模型建立模块建模时，利用圆柱壳、 锥壳、球壳分别进行组合壳的建模；将环肋简化为加强筋，采用Timeshenko梁考虑三个方 向平衡进行建模；将舱壁简化为圆形板进行建模。
10. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述水下辐射计算模块使用波叠加方 法，根据位移满足线性叠加原理，分别将外激励和广义声压激励下的动响应带入流固耦合 边界条件，进而求解得到圆锥壳-圆柱壳-球壳组合结构的水下声辐射。
【专利摘要】本发明公开了一种复杂组合结构水下声辐射的定量计算方法及系统，其中方法包括以下步骤：获取流体介质中组合壳系统的结构参数和激励参数；根据获取的结构参数和激励参数，在组合壳表面上沿母线方向进行配点，采用精细积分方法计算组合壳系统各配点问的场传递矩阵和点传递矩阵，并计算外力向量；根据组合壳系统两端边界条件和结构连续条件，建立流体介质-组合壳系统的动力学模型；通过Moore-Penrose广义逆矩阵求解得到流体介质-组合壳系统的振动响应；使用波叠加方法，求解圆锥壳-圆柱壳-球壳组合结构的水下声辐射。发明可以定量计算流体介质中复杂组合壳受外激励产生的水下声辐射，为水下航行器的声学特性分析提供参考和依据。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104573260
【申请号】CN201510033897
【发明人】王献忠, 吴卫国, 漆琼芳, 许瑞阳, 周雍, 马丽
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月22日