1.设计的目的和意义

最早在一战时，潜艇便得到了广泛的运用，在许多大国海军中处于重要的地位，尤其在二战及之后的战争中的应用，让各国都看到了它对于国土防卫和反击的巨大作用。1950 年起，新中国也逐步研究并拥有潜艇，并越来越重视其发展。近年来，随着我国综合国力的不断提升，海洋战略越来越受到重视，在近海甚至远洋保卫中国国家利益的需求陡然增加，潜艇凭借其强隐蔽性与突发攻击能力在国防事业中发挥了其不可或缺的重要作用。

良好的隐蔽性既是潜艇能够发起突然攻击的保证，又是维持自己生命力的屏障，因此隐蔽性是潜艇重要的性能指标之一。然而，随着技术的发展，各种反潜武器给潜艇的生存带来了巨大挑战。鉴于声音在海洋中能够远距离的传播，以探测潜艇的声学特性来反潜成为最主要的探测方式。

潜艇的辐射噪声主要来源于三大方面[1]：机械噪声、流噪声以及螺旋桨运动引起的噪声。机械噪声是指航行器运转时发动机主机、辅机等机电设备开启时因冲击、摩擦或不平衡运动而产生的振动[2]。

有资料表明[3]，潜艇在水下靠电机航行时，螺旋桨运动引起的噪声无论在低航速还是高航速都有可能成为主要噪声源。在较低航速时，螺旋桨运动引起的系统振动通过轴系传递到壳体引起的间接振动的辐射噪声远高于螺旋桨直接辐射噪声，因此，在高速航行时，螺旋桨引起壳体振动的间接噪声是不可忽略的。在潜艇声学设计中，如果对这一由螺旋桨引起的轴系-壳体耦合振动噪声源重视不够，它可能成为航行器辐射噪声中的主要部分，严重影响潜艇的声隐蔽性。

由于振动是影响潜艇水下声辐射的重要因素，为此本文将主要从结构振动方面出发，将螺旋桨、推进轴系、轴承支撑和艇耦合在一起考虑，运用数值分析方法中的有限元法，通过相关软件建立轴系-艇体结构的有限元模型。分析不同边界条件下，轴-壳耦合系统自由振动特性以及螺旋桨激励等下艇体系统模型的受迫振动响应结果，对于轴-艇体耦合结构振动的影响。

1.1国内外研究现状

西方发达国家对螺旋桨及轴系-壳体耦合研究较早，很早就有学者提出了螺旋桨对水面船只振动性能的影响，指出螺旋桨对船体的激励包括螺旋桨直接激励和通过轴系、轴承间接作用在船体上的激励，可是对于潜艇由于其研究的秘密性，很少见到相关报道。通过一些间接查找，我们可以知道各个发达的海洋大国已经在相关领域进行了深入探索，建立了较完整的分析及控制方法，直接涉及潜艇螺旋桨引起轴系-壳体耦合振动的研究在近年来也逐渐有所公开发表。相比之下，国内对这一问题的研究起步较晚，较早的研究都集中在轴系或壳体单独振动特性上，直到通过一些测试和学术讨论才逐渐认识到螺旋桨对轴系-壳体耦合振动影响，以及对整个系统振动的重要作用，并开始进行专题研究[4][5][6]。螺旋桨、轴系及壳体耦合系统振动源在于螺旋桨，包括螺旋桨在运转时的非定常外激励力和由螺旋桨旋转引起的轴系与轴承的摩擦激励。轴系到轴承及其基座再到壳体是振动的传播路径，壳体是最终向外辐射噪声的结构。因此，要弄清耦合振动的特性就必须研究轴系系统的力的传递特性、激励力性质及壳体振动特点。国内外学者运用了各种分析方法，Testa C , Greco L [7]运用声学类比预测潜艇振动散射振动噪声； GinsbergJ H [8]提出了计算无限长及定长薄壳振动的理论与方法，曹贻鹏采用有限元工具建立了轴系与双层圆柱壳体连接的流固耦合模型，研究了纵向振动到壳体的传播途径，并提出了轴承和结构布置的改进方案以减小系统的振动。对轴系与艇体的耦合振动特性及其影响因素的分析中，采用限元法的学者有很多，例如，谢基榕等人[9]将弹性联轴器的从动部分、螺旋桨及推力盘作为集中质量处理，分析了轴系子系统的力传递特性；段勇等[10]运用数值法研究了小水线面双体船的桨-轴-船体耦合系统在螺旋桨受宽带力激励下的纵向振动特性；陆坡等人[11] 建立推进轴系—艇体的混合有限元模型和轴承基础固支下的"纯"推进轴系有限元模型,对两种轴承基础边界条件下推进轴系的固有振动特性进行比较；李攀硕[12]建立了末端带有集中质量的轴与加筋壳体的耦合系统，采用有限元法研究了轴-壳体纵横振动耦合；杨丽红[13]研究了轴系与壳体耦合对轴系的纵向振动固有频率及响应峰值的影响；Paul[14]对螺旋桨-轴系统的动态响应使用传输矩阵方法表征；杨成春[15]建立了轴系子系统、空气中轴系-壳体耦合系统和流体中轴系-壳体耦合系统有限元模型进行固有模态分析；Croaker P[16]将螺旋桨引发的入射压力场和壳的耦合三维有限元模型组合；Feng G P ^[17]通过模态分析来描述具有自由界面条件的每个子结构的理论容纳函数；何江洋等人[18]研究轴系边界条件改变后,集成减振系统与轴系的耦合振动。在艇体结构设计与改进方面，也已经有一些控制艇体振动与噪音的设计，例如Bodger L提出了NPT螺旋桨的设计方法[19]；Atlar M讨论了螺旋桨噪声和振动控制和缓解以及缩放程序的设计[20].