摘 要

结构振动噪声问题一直是工程界的重点研究问题之一。目前，机械设备多是由许多典型的机械结构部件，如平板、圆柱壳、球等通过焊接，铆接及螺栓连接等形式连结而成的。其中壳体部件应用广泛，圆柱壳体组合结构也是水下复杂结构的重要组成结构形式。潜艇及其他水下航行器典型的舱段结构一般可近似为加筋圆柱壳结构，对有限长加筋圆柱壳结构开展声辐射及振动特性研究的所得结果对于降低潜艇的辐射噪声和振动、以及提高潜艇的隐蔽性具有重要的指导意义。

论文主要研究了水下航行器典型圆柱壳舱段结构振动和声辐射实际工程问题，将工程问题抽象为水下加筋圆柱壳体结构的声振特性数学问题。通过采用传递矩阵方法，对任意边界条件下水下加筋圆柱壳体结构的振动声辐射特性进行研究，在特性研究基础上，讨论诸如结构参数、边界条件及流体介质等因素对圆柱壳振动特性的影响。本文在精细传递矩阵方法的基础上，给出了一种分析适用于加筋圆柱壳结构的声振特性分析方法。

研究结果表明：壳体厚度，长度，以及壳体结构中环肋数等变化对其振动性能有着不同的影响；外部流体介质的不同在很大程度上对圆柱壳结构的共振特性、声振特性都有所影响。

本文的特色：在经典传递矩阵法的基础上，给出精细传递矩阵方法，在应用于实际工程问题模型计算上，能够有效的提高计算效率、计算精度。

关键词：环肋圆柱壳；Flügge壳体理论；自由振动；传递矩阵法；振动特性

Abstract

The problem, structural vibration and noise, has been one of the most important problems in engineering field. At present, most mechanical equipment is made up of many typical mechanical components, such as plate, cylindrical shell, spherical shell and so on by welding, riveting and bolting. Among those typical components, shells are widely used. And the cylindrical shell composite structure is an important structural form of underwater complex structure. The typical cabin structure of submarine and other underwater vehicle can be approximated as the stiffened cylindrical shell structure,thus the results obtained from the study of acoustic radiation and vibration characteristics of finite length stiffened cylindrical shell structure can reduce the radiated noise and vibration of submarine. Besides, to improve submarine concealment has important guiding significance.

This paper mainly studies the practical engineering problems of vibration and acoustic radiation of typical cylindrical shell cabin structure of underwater vehicle. In this paper, the engineering problem is abstracted as the mathematical problem of acoustic and vibration characteristics of underwater stiffened cylindrical shell structure. By using the transfer matrix method(TMM), the acoustic radiation characteristics of underwater stiffened cylindrical shell structures under arbitrary boundary conditions are studied in this paper. On the basis of the study, the paper discusses with the influence of structural parameters, boundary conditions, direction of excitation force and fluid medium on the vibration and acoustic characteristics of cylindrical shells. Based on the fine transfer matrix method, a method for analyzing the acoustic and vibration characteristics of stiffened cylindrical shells is presented in this paper.

The results show that many external factors will do changes on the acoustic and vibration characteristics of the stiffened cylindrical shells. The variation of shell thickness, length and the number of ring ribs of shell have different effects on the vibration performance of cylindrical shell. Besides, the factor of structure has great influence on the vibration characteristic of cylindrical shell. To a great extent, the fluid media has an effect on the resonance and acoustic vibration characteristics of cylindrical shell structure.

The characteristics of this paper: on the basis of the classical transfer matrix method, the fine transfer matrix method is given in this paper, which can effectively improve the calculation efficiency and accuracy in the practical engineering problem model calculation.

Key words: stiffened cylindrical shell; Flügge shell theory; free vibration; transfer matrix method; vibration characteristics;

目 录

第1章 绪论 7

1.1 引言 7

1.2 圆柱壳体结构振动与声辐射研究学术背景 8

1.3 国内外研究现状小结 10

1.4 本论文主要工作 11

第2章 水下加肋圆柱壳的振动特性 12

2.1 引言 12

2.2 壳体振动基本理论 12

2.3 加肋圆柱壳振动特性的场传递矩阵法 14

2.4 环肋圆柱壳的精细传递矩阵方法 22

2.5 水下加肋圆柱壳的声振计算方法验证 26

2.6 本章小结 28

第3章 圆柱壳体计算方法数值验证 30

3.1 引言 30

3.2 ABAQUS软件介绍 30

3.3 圆柱壳体有限元法分析验证 31

3.4 圆柱壳体的计算方法验证算例 36

3.5 本章小结 39

第4章 圆柱壳体的固有频率影响因素分析 40

4.1 引言 40

4.2 圆柱壳体固有频率的影响因素 40

4.3 本章小结 45

结 论 46

1.本文的主要工作 46

2.本文的主要结论 46

参考文献 47

致 谢 50

1. 绪论

1.1 引言

近年来，海洋权益以及海洋资源在国家的战略地位不断提高，海洋斗争已经成为新世纪世界各国的军事斗争的焦点。因此，各海军强国都在不断采取各种方法试图提高其海、空设备的探测技术水平。水下航行器作为未来战争的主战武器，其隐蔽性将遭受到更为严峻的挑战。对于水下航行器来说，决定其战斗力和生存力的关键因素是水下航行器的声隐身性能^[1]。声隐身性能作为水下航行器的隐蔽性技术参数中最为主要的指标，其性能主要体现在主动声纳及被动声纳探测能力上，为确保声纳等探测仪器的精确度及准确性，最大范围的降低并屏蔽航行器自身的辐射噪声是提高水下航行器隐蔽性的重要手段。在水下声对抗技术的不断发展的现在，声纳对水下目标的识别以及跟踪能力从低频段向高频段发展，怎样更高效地提高水下航行器的隐身性能，成为提高当代舰船的生存力以及战斗力的一个不可避免的研究问题^[2]。

水下航行器的辐射噪声会将航行器自身暴露给敌方探测仪器，同时航行器的结构共振会影响其内的仪表和设备的正常工作、降低使用精度还可能缩短仪器使用寿命。因此，在水下航行器的整个设计过程中，应该对其声学性能进行充分地了解，并且尽量地降低和屏蔽航行器自身的辐射噪声。

水下航行器是在水中航行的复杂弹性结构，其工作时会不可避免的受到来自多种激励源的机械激励，从而导致结构振动、辐射声。水下航行器的主要噪声源主要是由于动力舱段的机械设备（主机、辅机、泵、各种电机以及螺旋桨等）运转产生的振动噪声，因此实现水下声隐身必定要对动力舱段结构的声学设计有足够的把握，以做到对实际结构的动力舱段声学性能有准确的预报。影响水下航行器振动噪声的因素包括以下几个方面：舰艇机械设备的激励、壳体结构的振动传递特性以及结构的声辐射特性。由于实际结构过于复杂，不适合应用于声振设计的研究，因此通常将水下航行器简化为环肋单层圆柱壳体或环肋双层圆柱壳体进行研究。

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