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1、 哈尔滨工程大学硕士学位论文潜艇典型舱段结构声学优化设计研究姓名：王强勇申请学位级别：硕士专业：船舶与海洋结构物设计制造指导教师：杨志国201103 潜艇典犁舱段结构声学优化设计研究摘关键词：动力学优化；潜艇典型舱段；振动传递特性；阻抗失配原理；声学优化设计 潜艇典型舱段结构声学优化设计研究 甌 ，瓵 ，琾瓼， 哈尔滨檀笱学位论文籿籭； 研究目的及意义作为潜艇主要噪声源的动力装置及其他机械设备在工作过程中产生的振动不可避免的会经由隔振器、基座、托板、实肋板、舱壁等传递至艇体，并最终以辐射噪声的形式向外界传递能量。对远场声压而言，潜艇壳体是振动源；对壳体振动而言，动力设备、轴系等是振动源，隔振装
2、置、基座、舷问连接结构、舱壁等是传递途径，壳体振动是直接结果。传统隔振措施是在艇体与设备之间安装昂贵的隔振装置，这样不仅增加了潜艇的建造费用，而且增大了设备的重量与尺度，同时由于实艇环境的复杂性使得实际减振降噪效果大打折扣。 在潜艇典型基座、舱壁和舷间连接结构中的主导传递通道、主导传递分量等，并以此为切入点，基于阻抗失配原理对潜艇典型基座、舱壁和舷间连接结构进行声学优化设计，在不过度增加潜艇舱段总重量和尺度、不破坏舱段结构强度等的前提下使基座、舱壁和舷间连接结构具备优良的阻隔振动噪声向外壳传递的能力，这对改善潜艇声隐身性能、减轻潜艇重量、提高潜艇作战能力无疑具有十分重要的意义。国内外研究现状阻
3、隔舰艇结构中振动噪声传递最有效的方法是在主传递途径上对其进行吸收或使但同时也带来了诸如材料易老化、易发生火灾、不易更换、经济性差等一系列问题。因此，必须深入研究振动噪声在舰艇结构中的传递规律及衰减措施，充分利用舰艇结构本身的不连续性来阻隔声振动在艇体结构中的传递，达到减振降噪的目的。许多工程技术人员针对振动噪声在板梁组合结构中的传递特性开展了一系列研究，取得了一定的成果。条件的不同会导致研究结果有所不同，因此该文只是应用基本原理分析了简单结构，提出的方法和得到的结论在实际应用中具有一定的局限性。随着许多学者的深入研究，结构声振动传递特性研究方面不断涌现出新的研究方法和研究成果。在弹性波理论研究
4、中，杆、梁、壳的振动特性最容易理解，同时它们也是复杂结构振动中，能量主要以弯曲波、纵向波和扭转波的形式进行传递，其中，纵向波和扭转波属于高阻抗波，具有很大的波速，传输能量非常有效，但不能与声波相互作用；弯曲波加筋板壳结构是水面舰船、潜艇、飞机等的主要结构形式，研究结构声振动在加筋透射和近场效应，推导出了弯曲波在加筋板上的衰减公式，并与实验结果进行了对比。研究了半无限加筋板上弯曲波能量传递的主动控制，结果表明最大透射出现在板、梁组合结构产生共振时，此时板平面弯曲波与梁弯曲波、扭转波达到最佳耦合。在实际工程中，潜艇、鱼雷等水下航行器的外形最接近于圆柱壳，采用圆柱壳模型 研究振动能量在结构中的分布规
5、律和传递特性，不仅形状上相似程度高，数学物理模型，便于深入研究结构声振动的传递特性。圆柱壳模型一般分为无限长和有限长圆柱壳模型。无限长圆柱壳模型适用于弹性波波长远小于圆柱壳长度的高频段，有限长圆柱壳模型则比较适合模拟潜艇、鱼雷或其舱段。】采用模态迭加法建立了无限长圆柱形障板上的有限长圆柱壳振动声辐射模型，理论上讲，圆柱形障板对有限长圆柱壳的声辐射阻抗有一定的影响，但】认为，圆柱形障板只会影响有限长圆柱壳表面将环肋圆柱壳视为正交弹性波传递途径的声学条件出现变化时，弹性波会发生反射。声学条件出现变化是指材料或结构形式的改变导致质量、刚度等的突变，即结构的阻抗不再匹配，弹性波在这些不连续处会发生一定
6、程度的反射，从而减少振动能量的传递。文献【琹方法研究了不连续结构的质量、刚度和自由阻尼层对输入功率流和传递功率流的影响，结果表明在弯曲波传递途径上敷设阻尼材料能有效降低传递功率流的量值。舰艇结构由大量纵横骨架、板架和舱室组成，振动噪声沿艇体结构传递途中会遇到具有隔离作用的自然障碍，如板或杆铰支承结构的接头和加强筋等，这些自然障碍会对振动噪声的传递起到阻抑作用，根据这一思路，利用舰艇结构本身的不连续性或在振动噪声传递途径上设置障碍可达到减振降噪的目的。 曲波在舰艇典型结构中的传递特性，并给出了平面弯曲波的隔声量公式。究了弯曲波在含接头加筋圆柱壳中的传递特性，分析中将不连续构件作为壳体的附加结构，
7、在此基础上，进一步讨论了两段不充液圆柱壳连接处壳体厚度变化对弯曲波传递特刚性阻振质量是沿着声振动传递途径布设在板结合处的一个矩形、正方形或圆形截面的大而重的条体，由于阻振质量相对板而言具有大的阻抗，从而反射一部分抵达阻振究了刚性阻振质量阻抑结构声传递的反射系数和透射系数，并得到其隔声量。文献研究了刚性阻振质量对受点激励无限大平板上结构声传递的阻隔作用，并通过解耦分析验证了隔振度简化公式的可行性，结果表明板平面弯曲波分别与阻振质量弯曲波和扭转波达到最佳耦合时，入射平面弯曲波发生最大透射。车驰东【】采用波动分析法研究了成任意角度连接的两块平板转角处刚性阻振质量对平面弯曲波传递的阻抑作用，并将数值计
8、算结果与模型实验结果进行了对比，结果表明转角处的阻振质量对平面弯曲波透射所起的作用相当于一个“低通滤波器”，在“阻带”能得到较高的插入损失。文献【】从质量引起的阻抗失配原理出发，采用波动理论研究了在板中嵌入一块方钢所引起的对弯曲波传递的阻抑作用，并将数值计算结果与模型实验结果进行了对比【】，结果表明方钢能有效阻隔高频弯曲波的传递，但并未将刚性阻振质量应用于舰艇结构的减振降噪设计。姚熊亮【】提出在舰船弹性基座中引入刚性阻振质量，研究结果表明阻振质量隔振基座在中高频段能有效降低艇体的振动和声辐射。论了矩形截面阻振质量和环形阻振质量，结果表明：不论是矩形截面阻振质量，还是环形阻振质量，适当增大阻振质
9、量截面高度并相应减小截面宽度可有效提高其隔振降噪效果，但并未针对刚性阻振质量截面参数开展声学优化设计。实际应用刚性阻振质量时，通常在装有声振动源的整个艇体结构回路上都布设阻振个刚性阻振质量对结构声传递的阻抑机理，分析了平面弯曲波传递时形成的穿透频段和堵塞频段，并将数值计算结果与模型实验结果进行了对比，结果表明多级阻振质量对结构声传递具有良好的阻隔效果，且振级落差随阻振级数的增加而增大。对实艇进行减振降噪设计时，通常针对不同的动力机械设备、防护结构及其他结构 艇的振动噪声控制方法，其中采取了如下隔振降噪措施：增大主机基座静弯曲刚度以减少弯曲波向艇体结构的传递；在机舱底部和机舱与目标舱室之问的隔壁
10、等声振动级较大区域敷设弹性阻尼材料以降低结构振动的传递；布设刚性阻振质量阻抑弯曲波由动力机械设备沿外板、舱壁、肋骨等艇体结构或由管系向船员舱和客舱传递。在我国新引进的某型军舰上，柴油机机组依次采用了橡胶减振器、硬质减振器和纵横交错的刚性阻振质量环路三级隔振措施，齿轮箱箱体则依次采用了硬质减振器、蜗式减振装置和刚性阻振质量环路三级减振措施，通过对实船减振降噪效果的测试表明：阻抗失配隔振技术不仅能有效阻抑结构声振动的传递，而且能保证设备或结构不发生大的传统的潜艇声学设计大都是在潜艇总体设计结束之后再采取各种措施以达到减振降噪的目的，这样在多数情况下只能部分解决当前面临的问题，而且在已建造好的艇上安
11、装声学器材的费用要比在潜艇设计过程中预先采取措施高倍以上。因此，在潜艇设计的早期阶段结合声学要求进行结构声学优化设计，使所建造的潜艇在满足强度、刚度、稳定性和总重量限制等的前提下具备良好的声学性能，这对改善潜艇声隐身性能、减轻潜艇重量、提高潜艇作战能力无疑具有重要的应用价值和现实意义。文献坎捎糜邢拊7边界元法研究了优化过程中的声辐射模态，建立了轻流体介质中复杂结构振动声辐射的模态分析模型，并将平板振动声辐射的模态分析结果与远场积分结果进行了对比，讨论了激励力作用位置对结构声辐射特性的影响。史蒙【】采用直接有限元法对两端固支矩形平板进行了以板上各节点振动速度为目标函数的 优化设计，并采用间接边界
12、元法对优化前后平板的降噪效果进行了对比，结果表明优化设计对平板重量进行了重新分配，在较宽频段内得到了明显的减振降噪效果。许多工程技术人员在结构声学优化设计方面取得了很大进展，有些已经应用到工程实际中。舒磊【】采用模态叠加法研究了耦合系统在外界激励作用下的动力学响应，提出一种基于声学贡献度分析的声振耦合系统结构优化设计方法，并将该方法应用于驾驶室的减振降噪设计。文献【】采用基于腔体声振特性的动态子系统修改方法研究了车内噪声声压与悬置弹性元件的刚度和阻尼特性参数之间的直接定量关系，并进一步以车内噪声声压为目标函数对悬置弹性元件进行了声学优化设计。刘晓芳将最优化理论引入“铛噪声为目标函数的优化模型，
13、得到了车轮断面几何参数的最优解。结构声学优化设计一般以声压或辐射声功率等声学响应为目标函数，这使得每次优化迭代都要进行声学计算，极大增加了问题的复杂程度。壳板振动对外辐射的声功率是振动速度的二次性函数【】，如果通过动力学优化能降低结构的振动速度，则必能降低其辐射声功率，起到与声学优化一样的减振降噪作用，而动力学优化比声学优化容易实现，也易于工程实际应用。年首先运用分布参数设计法，研究了简支梁基频最大化的设计问题，利用乘子法导出了梁最优端面应满足的积分方程，开创了结构动力学优化设计位移约束的结构动力学优化问题，并将优化结果与一般优化方法的最优结果进行了对比【】应用数学规划法对半正弦冲击载荷作用下的平面正交钢框架结构进行了最小重量优化设计，其中考虑了频率、最大动位移和动应力约束以及设计变量的上下限，但未考虑阻尼的作用。国内关于动力学优化设计的研究，最早见于年林加浩发表的一篇文献，他根据与单因子迭代相比，显著改善了迭代的收敛性。此后，潘晋【】采用延长脉冲激励作用时间的方法，将动力响应拓扑优化问题退化为静力拓扑优化问题来处理，并通过对比验证了该方法的正确性和有效性。夏人伟【】联合采用数学变换、高精度近似和二级逼近策略提出了一种求解结构优化问题的准解析法，该方法计算效率高、通用性强，能用于求 基于隔离舰艇结构振动的动力学优化设计中，结构形式、尺寸和运用复合型材料一束下离散
