復(fù)雜組合殼結(jié)構(gòu)水下聲輻射的定量計(jì)算方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及船舶結(jié)構(gòu)特別是水下航行器的結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體設(shè)計(jì)一種復(fù)雜 組合結(jié)構(gòu)水下聲輻射的定量計(jì)算方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 艦船振動(dòng)噪聲一直是國內(nèi)外研宄的熱點(diǎn)，由海洋資源開發(fā)和利用引起的海上摩擦 日益增多，海軍強(qiáng)國不斷提高其海、空探測(cè)設(shè)備的技術(shù)水平，艦船的隱蔽性遭受越來越嚴(yán)峻 的挑戰(zhàn)，其隱蔽性是決定戰(zhàn)斗力和生存力的主要因素。艦船的輻射噪聲一方面會(huì)把自己暴 露給敵方；另一方面艦船的聲吶進(jìn)行探測(cè)也需要考慮噪聲的限制，艦船結(jié)構(gòu)聲隱身性能的 軍事重要性越來越顯突出。因此，開展艦船聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證艦船生命力和戰(zhàn)斗力的重 要手段。因此，在船舶結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行振動(dòng)噪聲的定量評(píng)估。
[0003] 船舶結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和聲輻射問題實(shí)質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的流-固耦合問題。船舶結(jié)構(gòu)水下 噪聲的計(jì)算方法現(xiàn)已形成并用于工程設(shè)計(jì)的主要有：理論計(jì)算方法、數(shù)值計(jì)算方法和工程 估算法。目前理論方法主要是針對(duì)圓柱殼模型的研宄。這些計(jì)算模型改變了外部流場(chǎng)域的 真實(shí)情況，因此計(jì)算模型與實(shí)際船舶模型不一致，所以與真實(shí)船舶結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲結(jié)果存 在一定的差別。數(shù)值方法通過結(jié)構(gòu)離散辦法（有限元、邊界元及有限元結(jié)合邊界元）或能 量法（統(tǒng)計(jì)能量分析方法）能夠很好的預(yù)報(bào)艦艇結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中的水下振動(dòng)噪聲，但 是難以解釋深層次的物理機(jī)理，而且受限于計(jì)算頻帶。但模型的范圍、邊界處理、參數(shù)的選 取等引起的計(jì)算誤差很大，需要進(jìn)一步完善。工程估算法是在理論推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證的前提 下，基于測(cè)試數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式總結(jié)歸納形成的預(yù)報(bào)方法，但需要大量實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì) 歸納，由于目前實(shí)船數(shù)據(jù)的支撐不夠，因此還難以廣泛應(yīng)用。
[0004] 因此上述方法均不能很好模擬船舶特別是水下航行器的水下聲輻射。而且，關(guān)于 包含球殼及艙壁等結(jié)構(gòu)和流體介質(zhì)在內(nèi)復(fù)雜組合殼系統(tǒng)的計(jì)算和處理方式尚未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述缺陷或者不足，本發(fā)明提供了一種基于精細(xì)算法的復(fù)雜組合殼結(jié)構(gòu)振動(dòng) 響應(yīng)定量計(jì)算方法，能夠定量計(jì)算由圓柱殼、圓錐殼、球殼、加強(qiáng)筋及艙壁等組成的復(fù)雜組 合殼的振動(dòng)響應(yīng)，為船舶特別是水下航行器的振動(dòng)綜合評(píng)估提供依據(jù)。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 提供一種復(fù)雜組合殼結(jié)構(gòu)水下聲輻射的定量計(jì)算方法，包括以下步驟：
[0008] (a)獲取流體介質(zhì)中組合殼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括組合 殼系統(tǒng)中各個(gè)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料特性參數(shù)；激勵(lì)參數(shù)包括激勵(lì)力的幅值及分布位置；
[0009] (b)根據(jù)獲取的結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)，在組合殼表面上沿母線方向進(jìn)行配點(diǎn)，采用 精細(xì)積分方法計(jì)算組合殼系統(tǒng)各配點(diǎn)間的場(chǎng)傳遞矩陣和點(diǎn)傳遞矩陣，并計(jì)算外力向量；
[0010] (C)根據(jù)組合殼系統(tǒng)兩端邊界條件和結(jié)構(gòu)連續(xù)條件，建立流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng) 的動(dòng)力學(xué)模型；所述流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為：
[0011；
[0012] 式中，TdPPia =2...n)為流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)中各配點(diǎn)的場(chǎng)傳遞矩陣和外 激勵(lì)，Zi (i = 1. .. n)為流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)中各配點(diǎn)處的狀態(tài)向量，I為單位矩陣；
[0013] (d)通過Moore-Penrose廣義逆矩陣求解得到流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)的振動(dòng)響 應(yīng)；
[0014] (e)根據(jù)流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，使用波疊加方法，求解組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 的水下聲輻射。
[0015] 本發(fā)明所述的方法中，所述步驟（b)中，在計(jì)算組合殼系統(tǒng)各配點(diǎn)間的場(chǎng)傳遞矩 陣和點(diǎn)傳遞矩陣前，先判斷各相鄰配點(diǎn)間是否有加強(qiáng)筋或艙壁結(jié)構(gòu)存在，若是，則計(jì)算各 配點(diǎn)間的場(chǎng)傳遞矩陣時(shí)需考慮點(diǎn)傳遞矩陣，根據(jù)精細(xì)積分辦法計(jì)算獲得各配點(diǎn)間的傳遞矩 陣。
[0016] 本發(fā)明所述的方法中，所述組合殼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為圓錐殼-圓柱殼-球殼組合結(jié)構(gòu)， 所述組合殼系統(tǒng)中各個(gè)結(jié)構(gòu)包括圓柱殼、錐殼、球殼、加強(qiáng)筋及艙壁。
[0017] 本發(fā)明所述的方法中，所述步驟（c)中，利用圓柱殼、錐殼、球殼分別進(jìn)行組合殼 的建模；將環(huán)肋簡化為加強(qiáng)筋，采用Timeshenko梁考慮三個(gè)方向平衡進(jìn)行建模；將艙壁簡 化為圓形板進(jìn)行建模。
[0018] 本發(fā)明所述的方法中，所述步驟（e)中，使用波疊加方法，根據(jù)位移滿足線性疊加 原理，分別將外激勵(lì)和廣義聲壓激勵(lì)下的動(dòng)響應(yīng)帶入流固耦合邊界條件，進(jìn)而求解得到圓 錐殼-圓柱殼-球殼組合結(jié)構(gòu)的水下聲輻射。
[0019] 本發(fā)明還提供一種復(fù)雜組合殼結(jié)構(gòu)水下聲輻射的定量計(jì)算系統(tǒng)，包括：
[0020] 原始數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取流體介質(zhì)中組合殼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)，所 述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括組合殼系統(tǒng)中各個(gè)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料特性參數(shù)；激勵(lì)參數(shù)包括激勵(lì)力 的幅值及分布位置；
[0021] 傳遞矩陣及外力向量計(jì)算模塊，用于根據(jù)獲取的結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)，在組合殼 表面上沿母線方向進(jìn)行配點(diǎn)，采用精細(xì)積分方法計(jì)算組合殼系統(tǒng)各配點(diǎn)間的場(chǎng)傳遞矩陣和 點(diǎn)傳遞矩陣，并計(jì)算外力向量；
[0022] 模型建立模塊，用于根據(jù)組合殼系統(tǒng)兩端邊界條件和結(jié)構(gòu)連續(xù)條件，建立流體介 質(zhì)-組合殼系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型；所述流體介質(zhì)_組合殼系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為：
[0023]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)雜組合殼結(jié)構(gòu)水下聲福射的定量計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟： (a) 獲取流體介質(zhì)中組合殼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括組合殼系 統(tǒng)中各個(gè)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料特性參數(shù)；激勵(lì)參數(shù)包括激勵(lì)力的幅值及分布位置； (b) 根據(jù)獲取的結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)，在組合殼表面上沿母線方向進(jìn)行配點(diǎn)，采用精細(xì) 積分方法計(jì)算組合殼系統(tǒng)各配點(diǎn)間的場(chǎng)傳遞矩陣和點(diǎn)傳遞矩陣，并計(jì)算外力向量； (c) 根據(jù)組合殼系統(tǒng)兩端邊界條件和結(jié)構(gòu)連續(xù)條件，建立流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)的動(dòng) 力學(xué)模型；所述流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為：
式中，1\和Pi(i= 2. ..n)為流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)中各配點(diǎn)的場(chǎng)傳遞矩陣和外激勵(lì)，Zji= 1. ..n)為流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)中各配點(diǎn)處的狀態(tài)向量，I為單位矩陣； (d) 通過Moore-Penrose廣義逆矩陣求解得到流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)； (e) 根據(jù)流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，使用波疊加方法，求解組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的水 下聲輻射。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟（b)中，在計(jì)算組合殼系統(tǒng)各配 點(diǎn)間的場(chǎng)傳遞矩陣和點(diǎn)傳遞矩陣前，先判斷各相鄰配點(diǎn)間是否有加強(qiáng)筋或艙壁結(jié)構(gòu)存在， 若是，則計(jì)算各配點(diǎn)間的場(chǎng)傳遞矩陣時(shí)需考慮點(diǎn)傳遞矩陣，根據(jù)精細(xì)積分辦法計(jì)算獲得各 配點(diǎn)間的傳遞矩陣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述組合殼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為圓錐殼-圓柱 殼-球殼組合結(jié)構(gòu)，所述組合殼系統(tǒng)中各個(gè)結(jié)構(gòu)包括圓柱殼、錐殼、球殼、加強(qiáng)筋及艙壁。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟（c)中，利用圓柱殼、錐殼、球殼 分別進(jìn)行組合殼的建模；將環(huán)肋簡化為加強(qiáng)筋，采用Timeshenko梁考慮三個(gè)方向平衡進(jìn)行 建模；將艙壁簡化為圓形板進(jìn)行建模。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟（e)中，使用波疊加方法，根據(jù)位 移滿足線性疊加原理，分別將外激勵(lì)和廣義聲壓激勵(lì)下的動(dòng)響應(yīng)帶入流固耦合邊界條件， 進(jìn)而求解得到圓錐殼-圓柱殼-球殼組合結(jié)構(gòu)的水下聲輻射。
6. -種復(fù)雜組合殼結(jié)構(gòu)水下聲輻射的定量計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，包括： 原始數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取流體介質(zhì)中組合殼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)，所述結(jié) 構(gòu)參數(shù)包括組合殼系統(tǒng)中各個(gè)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料特性參數(shù)；激勵(lì)參數(shù)包括激勵(lì)力的幅 值及分布位置； 傳遞矩陣及外力向量計(jì)算模塊，用于根據(jù)獲取的結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)，在組合殼表面 上沿母線方向進(jìn)行配點(diǎn)，采用精細(xì)積分方法計(jì)算組合殼系統(tǒng)各配點(diǎn)間的場(chǎng)傳遞矩陣和點(diǎn)傳 遞矩陣，并計(jì)算外力向量； 模型建立模塊，用于根據(jù)組合殼系統(tǒng)兩端邊界條件和結(jié)構(gòu)連續(xù)條件，建立流體介 質(zhì)-組合殼系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型；所述流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為：
式中，1\和Pi(i= 2. ..n)為流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)中各配點(diǎn)的場(chǎng)傳遞矩陣和外激勵(lì)，Zji= 1. ..n)為流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)中各配點(diǎn)處的狀態(tài)向量，I為單位矩陣； 振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算模塊，用于通過Moore-Penrose廣義逆矩陣求解得到流體介質(zhì)-組合殼 系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)； 水下輻射計(jì)算模塊，用于根據(jù)流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，使用波疊加方法，求 解組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的水下聲福射。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括： 判斷模塊，用于在計(jì)算組合殼系統(tǒng)各配點(diǎn)間的場(chǎng)傳遞矩陣和點(diǎn)傳遞矩陣前，先判斷各 相鄰配點(diǎn)間是否有加強(qiáng)筋或艙壁結(jié)構(gòu)存在，若是，則通過傳遞矩陣及外力向量計(jì)算模塊計(jì) 算各配點(diǎn)間的場(chǎng)傳遞矩陣時(shí)需考慮點(diǎn)傳遞矩陣，根據(jù)精細(xì)積分辦法計(jì)算獲得各配點(diǎn)間的傳 遞矩陣。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述組合殼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為圓錐殼-圓柱 殼-球殼組合結(jié)構(gòu)，所述組合殼系統(tǒng)中各個(gè)結(jié)構(gòu)包括圓柱殼、錐殼、球殼、加強(qiáng)筋及艙壁。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述模型建立模塊建模時(shí)，利用圓柱殼、 錐殼、球殼分別進(jìn)行組合殼的建模；將環(huán)肋簡化為加強(qiáng)筋，采用Timeshenko梁考慮三個(gè)方 向平衡進(jìn)行建模；將艙壁簡化為圓形板進(jìn)行建模。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述水下輻射計(jì)算模塊使用波疊加方 法，根據(jù)位移滿足線性疊加原理，分別將外激勵(lì)和廣義聲壓激勵(lì)下的動(dòng)響應(yīng)帶入流固耦合 邊界條件，進(jìn)而求解得到圓錐殼-圓柱殼-球殼組合結(jié)構(gòu)的水下聲輻射。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)水下聲輻射的定量計(jì)算方法及系統(tǒng)，其中方法包括以下步驟：獲取流體介質(zhì)中組合殼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)；根據(jù)獲取的結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)，在組合殼表面上沿母線方向進(jìn)行配點(diǎn)，采用精細(xì)積分方法計(jì)算組合殼系統(tǒng)各配點(diǎn)問的場(chǎng)傳遞矩陣和點(diǎn)傳遞矩陣，并計(jì)算外力向量；根據(jù)組合殼系統(tǒng)兩端邊界條件和結(jié)構(gòu)連續(xù)條件，建立流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型；通過Moore-Penrose廣義逆矩陣求解得到流體介質(zhì)-組合殼系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)；使用波疊加方法，求解圓錐殼-圓柱殼-球殼組合結(jié)構(gòu)的水下聲輻射。發(fā)明可以定量計(jì)算流體介質(zhì)中復(fù)雜組合殼受外激勵(lì)產(chǎn)生的水下聲輻射，為水下航行器的聲學(xué)特性分析提供參考和依據(jù)。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號(hào)】CN104573260
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510033897
【發(fā)明人】王獻(xiàn)忠, 吳衛(wèi)國, 漆瓊芳, 許瑞陽, 周雍, 馬麗
【申請(qǐng)人】武漢理工大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月22日