浸水结构声辐射与声透射特性计算

• 作 者: 张栋洋
• 机 构: 大连理工大学
• 出 处: 大连理工大学
• 发表日期: 2016年期
• 关键词: 流固耦合 FEM/BEM 声辐射 声透射

水下结构声辐射问题一直都是船舶设计人员关注的一个焦点。目前用于水下结构声辐射噪声预报的方法主要有解析法、数值法和实验法等。解析法适用于简单的结构形式,实验的方法成本较大,而数值法因其灵活性和高效性得到了最广泛的应用。水下结构声辐射是一个典型的流固耦合问题,需要分别对结构和流体进行建模,目前结构主要使用有限元法(FEM),流体主要使用有限元法(FEM)和边界元法(BEM)等。FEM/FEM比较适合用来求解有限流体域内的声振特性,FEM/BEM对于计算无限大或半无限大流体域很有优势。本文基于FEM/BEM对无界流场中浸水结构的声辐射特性进行了研究,主要内容如下：首先以板壳结构为研究对象,推导了基于Mindlin板模型的有限元方程,编写了四边形四结点等参单元的动力有限元程序,采用子空间迭代法来计算结构的固有频率和振型,通过悬臂板和自由板的模态计算验证了程序的正确性。然后推导了三维声波波动方程,从稳态声场的Helmholtz微分方程出发,利用权函数法推导了边界积分方程。采用四边形四结点等参单元对边界进行离散,采用坐标变换法消除积分奇异性,采用CHIEF法解决特征频率处非唯一性问题,最终推得了声学边界元法的系统方程。根据理论编写了直接边界元法计算声辐射的程序,计算脉动球源的声辐射特性,结果与解析解相吻合。其次根据在流固耦合交界面上的连续条件,基于结构有限元方程和流体边界元方程建立了流固耦合方程。求解结构在流体中的振动特性时可将声压变量消去,流体对结构的作用简化为附加质量形式；求解结构声辐射特性时将位移变量消去,以声压为未知变量,通过求解耦合方程,便能得到流体域内任一点的声压。根据以上理论本文编写了结构有限元法耦合流体边界元法的浸水结构声辐射程序,以无界流场中内部受简谐声压作用的球壳为例进行计算,与解析解取得了很好的一致。最后本文还研究了封闭结构内部有声源作用时壳体的声透射特性。对球壳内外域分别应用Helmholtz积分方程,然后根据在球壳表面法向速度连续条件建立以声压为未知变量的耦合方程,解得结构内外表面的声压即得到结构的声透射特性。根据理论编写了计算声透射的程序,计算了无界流场中内部有点声源激励的球壳的声透射特性,通过与解析解对比验证了程序的正确性。