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动力舱段ABAQUS声固耦合法声辐射特性
计方,钱德进,庞福振,王强勇
(哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001)
摘要:基于ABAQUS声固耦合法,对复杂双壳动力舱段的水下噪声辐射特性进行了计算和分析,对比分析了计算值和实验数据。结果表明:ABAQUS在水下结构声辐射特性数值分析问题上可以取得较好的效果,计算值与实验数据基本吻合,满足工程要求。验
证了ABAQUS声固耦合算法在模拟水下结构声辐射问题的有效性。
关键词:声固耦合;动力舱段;边界阻抗;声辐射
声隐身技术在水下目标隐身技术中仍然占据主导地位。水下目标的声隐身性能主要体现在抗敌主动声纳的探
测能力及防敌被动声纳探测能力上,而降低和屏蔽自身的辐射噪声是水下目标主动隐身的有效措施。
目前,对水下结构声辐射的研究通常采用模型实验与数值仿真相结合的方法。鉴于物理模型存在着一定的尺
度效应及加工工艺问题,并且建造能够模拟无限声场的大型水池需要承担巨额的费用,现在水下结构的声辐射特性研究方面仍主要采用数值仿真的手段。随着计算机技术的发展,出现了很多大型的计算软件,已知的文献表明,
国内大多采用有限元与边界元相结合的方法来计算结构的水下声辐射特性,并已取得了一定的成果[1-3]。而基于ABAQUS声固耦合算法的水下噪声辐射研究还未见有报道。使用声学介质来描述流体,利用声学方程模拟声波在流场中传播,将其与边界阻抗技术或声学无限元技术结合使用可以更好的模拟声波在无限水域的传播特性。本文借助大型通用有限元软件ABAQUS,使用声固耦合算法研究水下噪声辐射问题,通过与模型实验数据的对比证明了该方法的有效性。
1声固耦合分析方法
1.1流固耦合振动方程
若将流体中结构为弹性体,则在流固交界面上,结构振动会产生流体负载,而声压同时对结构产生一个附加力,所以必
须同时计算结构动力方程和流体域的波动方程。通过将模型进行离散,求解波动方程和运动方程来求得流固交界面上的位移
和声压值。
假定流体是理想的声学介质,则声波动方程为
?2?
p
1?p
2
c?t
22
(1)
式中:c为流体介质中的声速;p为瞬时声压;
应用Galerkin法,并乘以声压的变分?p,在流体区域V内积分,经过运算[3]得
??1pTTU
?2????2?
????pdV????L?p??Lp?dV????pndS(2)
222
ctt
????
f
VVS
?????
式中:u为S面上位移向量;??
L???????????
T
xyz
;L????。
将流体方程离散化,分成若干个有限单元,单元内任意一点的声压和质点的位移及其对时间的各阶导数均可由该单元节
点上相应值插值表示,并将声压变分约去,可得到完全耦合的结构流体运动方程:
?M0??U??C0??U??K?R??U??F?
???T
SSSS
?????
????????????
?RMP??CP?KP
000
????????????????
ffff
(3)
式中:
M、
S
C、
S
K分别为结构质量矩阵、结构阻尼阵和刚度矩阵;
S
M、
f
C、
f
K分别为流体质量矩阵、声阻尼
f
矩阵和流体刚度矩阵;R为流体和结构的耦合矩阵;U、P为节点位移向量和声压向量;
F为结构载荷向量。
S
1.2无限流场的模拟
由声学理论知,声音可以在一切弹性介质中传播,其本质是振动的传播。当振动在流体中传播时,形成压缩
和伸张交替运动现象,所以声音在流体介质中表现为压缩波的传播,即纵波[4]。由于声波在水中传播衰减很慢,
因而需要建立无限大的流场模型,显然这样是不现实的。而对于有限流场,由于边界阻抗的存在,在流场的边界必然存在着声波的反射。因而,需要采用其他的方法来解决这个问题。本文采用两种不同的技术来模拟无限流场:
边界阻抗技术和声学无限单元技术。
边界阻抗技术其本质就是一种无反射边界条件(NRBC),它是通过阻止声能量在交界面上的反射来实现的,
1
但通常需要流场足够大才能保证精度。而声学无限单元技术通过在边界上覆盖一层无限单元来实现无限流场的模
拟。这种单元可以直接应用于结构或声学有限元流场域的边界上,这样就可以根据不同需要减小流场模型,从而
降低建模成本。这两种方法都能够取得很好的效果,且结果相差不大[5-7]。
通过分别采用以上两种技术,由声学介质组成的流场就能够满足在流场无穷远边界上的Sommerfield辐射条件:
?
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