Введение к работе
Актуальность темы. Низкие уровни вибрации и шума судов в значительной степени определяют их конкурентоспособность на мировом рынке. Поэтому вопросам их снижения уделяется пристальное внимание. Можно выделить ряд особенностей, характеризующих акустические свойства судна. С одной стороны - это колебания конструкций, находящихся в воздухе, когда окружающая среда практически не влияет на динамические характеристики объекта. С другой стороны при взаимодействии корпуса с так называемой "тяжелой" жидкостью (вода) возможны значительные изменения в спектрах структурной вибрации и звукоизлучения. Сложность физических процессов и явлений, происходящих при звукоизлучении корпуса судна в воду, особенно для конструкций, имеющих большое количество внутреннего насыщения (настилы, переборки, виброактивное оборудование и т.д.), делает задачу выбора оптимальных геометрических и инерционно-жесткостных параметров конструкций довольно трудной.
Решение указанной проблемы в настоящее время производится двумя путями. Первый путь основан на создании маломасштабных моделей корпуса и проведении экспериментальных исследований вибрации и звукоизлучения этих моделей. В основе второго подхода лежат полуэмпирические методики, основанные как на результатах модельных исследований, так и на аналитических решениях проблемы звукоизлучения для объектов простейших форм. Однако, по крайне мере существуют два важных обстоятельства, которые существенно затрудняют решение задачи такими способами. Одно из них связано с тем, что модельные испытания требуют больших затрат времени и средств на создание и экспериментальное исследование маломасштабных моделей корпуса. Кроме этого, существуют проблемы при пересчете модельных результатов на натуру. Второе обстоятельство относится к теоретическим методам исследования и связано с тем, что существующий расчетный аппарат удовлетворительно работает для конструкций с простой геометрией. При переходе к моделям, имеющим внутреннее насыщение и сложную геометрию корпуса, применимость этого подхода весьма затруднительна.
Поэтому во всем мире ведется разработка численных методов расчета характеристик звукоизлучения погруженных структур. Совершенствование этих методов шло параллельно с появлением все более мощных ЭВМ. Первоначально для описания использовались интегральные и интегро-дифференциальные уравнения в двумерной постановке. Затем последовал переход к трехмерным интегральным и конечно-элементным методам. С 1967 года, после выхода основополагающей работы Шенка, для решения проблемы звукоизлучения с учетом заданного поля скоростей на
излучающей поверхности стали активно развиваться интегральные методы акустического анализа впоследствии ставшие известными как метод граничных элементов. В это же время развивается универсальный численный подход к анализу колебаний конструкций, получивший название метода конечных элементов. С начала 70-х годов этот метод становится общепринятым в промышленных расчетах динамики и прочности сложных инженерных сооружений. В последнее десятилетие появился ряд публикаций, посвященный совместному использованию методов конечных и граничных элементов для звукоизлучения системы "структура-среда". В этих работах были представлены алгоритмы решения совместной проблемы в самой общей трехмерной постановке на основе МКЭ/МГЭ. Эти алгоритмы легли в основу известных на западе программных комплексов NASHUA (США) и SYSNOISE (Бельгия), которые в настоящее время широко используются в промышленных расчетах. Однако в этих работах за пределами изложения остались многие наиболее важные и тонкие моменты построения математических моделей и алгоритмов, а тексты программ не публикуются, поскольку являются собственностью фирм-разработчиков. Поэтому задача создания расчетного аппарата для определения характеристик звукоизлучения на основе МКЭ/МГЭ является весьма актуальной.
Целью работы является разработка алгоритмов и программного комплекса по расчету характеристик звукоизлучения погруженных конструкций для системы акустического проектирования геометрических и инерционно-жесткостных параметров корпуса судна.
Методы исслелования. Для реализации цели работы применялись теоретические методы и методы численного моделирования. При сопоставлении расчетных и экспериментальных данных использовались результаты модельных испытаний в акустическом бассейне и на стендах.
Научная новизна. Разработаны математические модели и алгоритмы расчета звукоизлучения сложных пространственных конструкций корпуса, позволяющие оценить влияние форм смоченной поверхности и параметров внутреннего насыщения на уровни звукового давления во внешнем поле. Алгоритмы учитывают реальную геометрию корпуса судна и пригодны, в том числе, для судов имеющих нетрадиционные формы корпуса, а также для случаев наличия сложного внутреннего насыщения, в том числе и виброактивного.
Практическое значение. Разработанный на основе предложенного метода программный комплекс может быть использован на всех стадиях проектирования корпусных конструкций с внутренним насыщением. Предложены критерии оценки виброакустического состояния по полной колебательной энергии и полной мощности звукоизлучения многоотсечных
оболочек с переборками различных видов. Результаты работы использованы в научно-исследовательских темах, выполнявшихся в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова и ЦКБ-проектантах. Основные положения, выносимые на зашиту:
- принципы построения математических моделей и алгоритмов расчета
связанных колебаний системы "структура-среда" для плоской задачи
(бесконечные цилиндры), в осесимметричной постановке и для трехмерных
структур;
- численные методы расчета, реализованные в программном комплексе по
анализу виброакустических характеристик погруженных корпусных
конструкций, основанные на совместном использовании МКЭ и МГЭ;
результаты расчетного исследования и анализ экспериментальных виброакустических характеристик многоотсечных моделей корпусных конструкций с внутренним насыщением;
результаты и численные критерии рационального акустического проектирования корпусных конструкций.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и получили положительную оценку на: всероссийской научно-технической конференции "Методы потенциала и конечных элементов в автоматизированном исследовании инженерных конструкций" в 1995 г. (С.Петёрбург); международной конференции 1995 Euronoise '95 (Лион); международных симпозиумах 1992,1994 "Transport Noise and Vibration" (С.Петербург); международном семинаре по структурной акустике 1993 "Structural Acoustics" (Кэмбридж).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 7 публикациях (см. перечень в конце автореферата).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы (67 названий) и 46 рисунков. Работа содержит 73 страницы машинописного текста.