基于边光滑有限元法的水下物体声散射数值仿真研究

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采用有限元法(FEM)计算声学问题时数值离散误差会随计算频率的增加而增加,这是由于有限元模型刚度比真实情况―硬‖造成的。基于边的光滑有限元法(ES-SFEM)是Liu结合传统限元法和无网格法中的应力光滑技术提出来的,其计算模型的刚度更接近真实情况,因而能有效减小数值离散误差。ES-FEM是对传统有限元法的一种改进算法,它引入光滑技术对计算域进行重新划分,重新装配总刚度矩阵,能适当软化有限元模型刚度,从而能得到更精确的计算结果。本文采用ES-FEM计算了无界域中的单目标散射和多目标散射,具体内容如下:  (1)结合FEM理论和非反射边界条件理论,推导了ES-FEM计算外声场的控制方程,比较分析了ES-FEM和FEM的异同点;  (2)用ES-FEM计算了无限长刚性圆柱的散射声场,并与解析解和FEM解对比,探讨了ES-FEM计算声学问题的计算效率、准确性、和网格不规则度对计算结果的影响;  (3)用ES-FEM计算了无限长双圆柱的散射声场,分析了平面波垂直入射和正横入射情况下,声场的干涉现象、声压分布规律和最大声压出现的位置。  (4)提出了双圆柱散射模型,并结合模型给出了镜反射波和绕射波到达反向散射点时刻的预报公式。  (5)研究了双圆柱的反向散射,将ES-FEM的频域计算结果做逆傅里叶变换,得到反向散射点的时域曲线,该曲线中脉冲时刻与公式预报值十分吻合。
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