Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы моделирования и системного анализа технических систем подводного гидроакустического экранирования 21
1.1 Характеристика источников и методов снижения акустической активности подводных транспортных средств 21
1.2 Конструктивные характеристики технических систем подводного гидроакустического экранирования и подходы к их совершенствованию 47
1.3. Системный анализ обобщенных показателей акустической активности подводных транспортных средств .89
1.4 Выводы по главе 1 101
Глава 2. Моделирование и оптимизация плоских элементов систем гидроакустического экранирования из однородных материалов с общей физико-механической анизотропией 103
2.1. Общая методология численно-аналитического исследования моделей однослойных многослойных экранов с твердотельными элементами .103
2.2 Анализ моделей многослойных экранов с мембранированными контактными поверхностями .117
2.3. Схема численно-аналитического исследования моделей многослойных экранов с жидкостными прослойками .119
2.4 Параметрическое исследование характеристик однослойного вязкоупругого экрана из материала триклинной системы 125
2.5 Параметрический анализ характеристик двухслойного вязкоупругого экрана при идеальном либо скользящем контакте слоев .126
2.6 Исследование параметрических зависимостей для эндогенных характеристик модели двухслойного экрана с разделяющим жидкостным слоем 130
2.7 Выводы по главе 2 133
Глава 3. Моделирование и оптимизация характеристик плоских трансверсально-изотропных функционально-градиентных экранов 135
3.1 Численно-аналитическое исследование и параметрический анализ модели однослойного трансверсально-изотропного функционально-градиентного экрана 135
3.2 Исследование и параметрический анализ моделей двухслойного и трехслойного трансверсально-изотропных функционально-градиентных экранов с идеальным контактом слоев 145
3.3 Параметрический анализ модели двухслойного трансверсально изотропного функционально-градиентного экрана с жидкостной прослойкой .149
3.4 Методика исследования и структурно-параметрической оптимизации модели трансверсально-изотропного функционально градиентного экрана с произвольным числом твердотельных слоев 151
3.5 Выводы по главе 3 154
Глава 4. Моделирование и оптимизация характеристик плоских гидроакустических экранов из функционально-градиентных анизотропных материалов триклинной системы с экспоненциальной неоднородностью 155
4.1 Численно-аналитический и параметрический анализ модели однослойного экрана 155
4.2 Исследование модели однослойного экрана с различными вариантами мембранирования граней 167
4.3 Модели двухслойных экранирующих элементов с мембранированными либо немембранированными контактными поверхностями .171
4.4 Анализ модели двухслойного экрана с жидкостной прослойкой 177
4.5 Выводы по главе 4 179
Глава 5. Моделирование и оптимизация плоских элементов систем гидроакустического экранирования из функционально-градиентных анизотропных материалов триклинной системы с экспоненциально-степенной неоднородностью 181
5.1 Методика численно-аналитического исследования обобщенной модели рассматриваемого типа 181
5.2 Численно-аналитическое исследование и параметрический анализ модели однослойного экрана .192
5.3 Исследование модели однослойного экрана с мембранными покрытиями на контактных поверхностях 200
5.4 Численно-аналитическое исследование и параметрический анализ модели двухслойного экрана .204
5.5 Анализ модели двухслойного экрана с мембранными покрытиями на внешних контактных поверхностях 208
5.6 Выводы по главе 5 .212
Глава 6. Моделирование и оптимизация характеристик анизотропных цилиндрических элементов систем гидроакустического экранирования 213
6.1 Постановочные соотношения модели расчета анизотропных элементов экранирования для цилиндрического гидроакустического излучателя .213
6.2 Разработка численно-аналитической методики анализа модели экранирования цилиндрического гидроакустического излучателя 219
6.3 Выводы по главе 6 225
Глава 7. Исследование и оптимизация характеристик прикладных моделей плоских перфорированных гидроакустических экранов 227
7.1 Моделирование процессов распространения упругих волн по толщине перфорированных анизотропных элементов экранирования на базе прикладных гипотез 227
7.2. Анализ прикладной модели перфорированного поперечно-анизотропного гидроакустического экрана с герметизацией полостей проскальзывающими металлическими пластинами 236
7.3 Анализ прикладной модели перфорированного гидроакустического экрана из поперечно-анизотропного несжимаемого материала с герметизацией полостей жестко прикрепленными металлическими пластинами 239
7.4 Выводы по главе 7 248
Глава 8. Моделирование и оптимизация пространственных конструкций многосвязных перфорированных трансверсально-изотропных гидроакустических экранов с начальными напряжениями .250
8.1 Концептуальные положения пространственной модели перфорированных экранов, подверженных воздействию сверхвысокого гидростатического давления 250
8.2 Моделирование пространственных конструкций предварительно напряженных трансверсально-изотропных многосвязных гидроакустических экранов с гексагональной решеткой поперечных перфорирующих цилиндрических полостей 253
8.3 Методика исследования пространственной модели предварительно напряженного трансверсально-изотропного гидроакустического экрана с гексагональной решеткой цилиндрических включений .261
8.4 Выводы по главе 8 .267
Глава 9. Анализ нечетких моделей функционирования плоских однородных и неоднородных анизотропных гидроакустических экранов 269
9.1 Нечетко-множественный анализ влияния факторов неопределенности в модели плоского трансверсально-изотропного гидроакустического экрана .269
9.2 Анализ нечеткой модели трансверсально-изотропного функционально-градиентного гидроакустического экрана 280
9.3 Нечеткая модель отражения и преломления гидроакустических волн при наклонном падении на трансверсально-изотропный плоский гидроакустический экран 288
9.4 Методика нечеткого оценивания эндогенных характеристик в моделях плоских функционально-градиентных гидроакустических экранов с триклинной анизотропией 295
9.5 Выводы по главе 9 .301
Глава 10. Учет факторов неопределенности в нечетких прикладных моделях перфорированных элементов систем гидроакустического экранирования .302
10.1 Нечетко-множественная прикладная численно-аналитическая методика оценивания приведенных эффективных показателей для ряда характеристик микронеоднородных эластичных материалов конструкций гидроакустических экранов 302
10.2 Нечетко-множественный анализ прикладной модели перфорированных анизотропных гидроакустических экранов с проскальзывающими герметизирующими покрытиями .311
10.3 Методика нечетко-множественного анализа факторов неопределенности в прикладной модели перфорированных анизотропных гидроакустических экранов с жестко прикрепленными герметизирующими покрытиями .317
10.4 Выводы по главе 10 .319
Глава 11. Синтез и анализ моделей плоских гидроакустических экранов с системами внутренних туннельных неоднородностей 321
11.1 Анализ модели плоского гидроакустического экрана с периодической системой внутренних туннельных цилиндрических полостей .321
11.2 Анализ модели плоского гидроакустического экрана с периодической системой внутренних туннельных радиально-неоднородных цилиндрических включений 331
11.3 Анализ модели плоского гидроакустического экрана с периодической системой внутренних туннельных изотропных включений концентрического кольцевого сечения .337
11.4 Выводы по главе 11 .339
Основные выводы и результаты работы 341
Список литературы 346
- Характеристика источников и методов снижения акустической активности подводных транспортных средств
- Численно-аналитическое исследование и параметрический анализ модели однослойного трансверсально-изотропного функционально-градиентного экрана
- Моделирование процессов распространения упругих волн по толщине перфорированных анизотропных элементов экранирования на базе прикладных гипотез
- Анализ модели плоского гидроакустического экрана с периодической системой внутренних туннельных цилиндрических полостей
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема системного анализа, моделирования и оптимизации технических систем подводного гидроакустического экранирования является важнейшей составляющей глобальной научно-технической задачи управления характеристиками полей гидроакустических волн, как обусловленных непосредственно акустической активностью подводных транспортных средств (ПТС) и подводных сооружений (ПС), работой их механизмов, технологическими процессами эксплуатации, функционированием приборов гидроакустического зондирования, идентификации, позиционирования и связи, так разнообразными природными факторами. Так, для ПТС специального назначения совершенствование методов и средств подводного экранирования является условием снижения возможностей их пассивного обнаружения и идентификации по генерируемым акустическим сигналам различной природы, уровня и спектра; снижения вероятности выхода их акустического излучения на уровни гидроакустической чувствительности для систем противолодочного вооружения; снижения уровней интенсивности и контрастности отраженных от ПТС сигналов при активном гидроакустическом зондировании.
Для ПТС, используемых в автоматизированных технологиях глубоководного монтажа, высокие уровни собственных гидроакустических излучений и дифракционные поля гидроакустических волн усложняют функционирование и снижают точность работы гидроакустических устройств связи, локации и позиционирования. В этом случае ключевыми заданиями разработки усовершенствованных технических систем гидроакустического экранирования являются обеспечение эффективного направленного излучения «незашумленных» гидроакустических сигналов, энергетически эффективного контрастного приема, фильтрации и обработки сигналов данной физической природы.
Технические системы экранирования ПТС и ПС играют определяющую роль и в решении задач снижения степени гидроакустической «зашумленности» как фактора негативного влияния на экологическую обстановку и состояние окружающей среды, на технологии гидролокации и подводной связи в процессах морского промысла. Сходные проблемы, связанные с механизмами управления уровнями акустической активности на базе использования технических систем подводного экранирования, свойственны и технологиям гидрофизических изысканий, подводной картографии, сейсмоакустики пород морского дна.
При неоспоримых современных достижениях научных исследований и наличии широкого круга реализованных технологических разработок в данных областях, возможности дальнейшего совершенствования научной базы для синтеза новых оптимизированных технологий гидроакустического экранирования далеко не исчерпаны. Это касается, в частности, актуальных теоретических проблем анализа эффективности использования в конструкциях технических систем гидроакустического экранирования и гидроакустических покрытий новых поколений конструкционных материалов с усложненными физико-механическими свойствами, в том числе нанокомпозитных функционально-градиентных анизотропных материалов, получаемых методами 3D-печати; дальнейшего применения более совершенных методик структурно-параметрической оптимизации в моделях технических систем гидроакустического экранирования; а также методов более совершенного учета факторов неопределенности и нечеткости в рассматриваемых моделях. В этой связи, рассматриваемая научно-техническая проблема выходит на новый уровень по содержанию и комплексности постановочных заданий. Дальнейший рост эффективности техники подводного экранирования может быть достигнут за счет использования в них самых современных высокоэффективных научных решений в области методов системного анализа, структурно-параметрической оптимизации, управления и обработки информации.
В свете вышеизложенного, осуществляемая в данной диссертационной работе разработка комплекса новых эффективных компьютерно-математических методик теоретических исследований в рассматриваемой области, а также получение с их
применением новых результатов в общих закономерностях и механизмах управления процессами трансформации гидроакустических сигналов в технических системах подводного экранирования, является открытой для дальнейших исследований актуальной научной проблемой важного социально-экономического и хозяйственного значения. Ее решение на основе применения методов системного анализа, структурно-параметрической оптимизации и приемов учета факторов неопределенности в теоретическом математическом моделировании, лежит в основе формирования информационной базы для принятия эффективных решений при конструировании и предпроектых расчетах ответственных технических систем гидроакустического экранирования с широким спектром функционального назначения.
Приведенные соображения являются мотивами отнесения темы данной диссертационной работы к актуальной проблематике современных исследований в области системного анализа, управления и обработки информации, имеющих важное технико-экономическое значение и представляющих собой значительный вклад в решение комплекса заданий инновационного научно-технического развития.
Целью диссертационной работы является разработка теоретических численно-аналитических методов качественного и количественного исследования, системного анализа, а также структурно-параметрической оптимизации детерминистических и нечетких математических моделей функционирования и управления параметрами технических систем гидроакустического экранирования с конструкционными элементами, обладающими комплексом усложненных структурно-геометрических и физико-механических свойств.
Объектом исследования являются процессы функционирования и структурно-параметрическая оптимизация рабочих характеристик технических систем подводного гидроакустического экранирования
Предметом исследования являются детерминистические и нечеткие теоретические модели конструкционных элементов подводных гидроакустических экранов с усложненными структурно-геометрическими и физико-механическими свойствами
На защиту выносятся:
синтез и реализация концепции создания усовершенствованной нечеткой иерархической модели оценивания стратегий оптимизации характеристик технических систем гидроакустического экранирования с учетом природы источников, способов подавления и переориентации акустических сигналов;
теоретические численно-аналитические методы исследования и структурно-параметрической оптимизации моделей технических систем гидроакустического экранирования с однослойными, двухслойными и трехслойными плоскими анизотропными элементами из вязкоупругих функционально-градиентных композиционных материалов гексагональной и триклинной системы, включая экраны с жидкостными прослойками и мембранными покрытиями граничных плоскостей;
модифицированные методики и теоретические алгоритмы исследования и структурно-параметрической оптимизации моделей плоских структурированных многослойных гидроакустических экранов из вязкоупругих нанокомпозитных анизотропных материалов триклинной системы, обладающих экспоненциально-степенной неоднородностью физико-механических характеристик;
усовершенствованные модификации, методики структурно-параметрического анализа и оптимизации моделей функционирования цилиндрических функционально-градиентных анизотропных элементов систем экранирования гидроакустических преобразователей и антенн;
- усовершенствованные модификации прикладных моделей структурно-
параметрической оптимизации характеристик многосвязных перфорированных
анизотропных пластинчатых элементов технических систем гидроакустического
экранирования с разнотипно герметизированными поперечными полостями;
- концепция и методика исследования геометрически точной модели
функционирования поперечно-анизотропного функционально-градиентного
перфорированного гидроакустического экрана с герметизированными поперечными
полостями при учете обусловленных гидростатическим давлением начальных деформаций в
рамках линеаризованной теории сжимаемых предварительно-напряженных сред;
- концепция синтеза и анализа моделей функционирования конструкционных
элементов технических систем гидроакустического экранирования в условиях структурной и
параметрической неопределенности;
методика нечетко-множественного анализа факторов неопределенности и нечеткого оценивания рабочих характеристик в прикладных моделях поперечно-перфорированных анизотропных композиционных гидроакустических экранов с герметизирующими покрытиями при учете неконтрастности физико-механических и геометрических экзогенных параметров;
методы и результаты теоретического анализа нечетких математических моделей функционирования плоских анизотропных функционально-градиентных элементов технических систем гидроакустического экранирования с учетом факторов неопределенности параметров их конструктивного исполнения и функционирования;
- численно-аналитическая методика моделирования и оптимизации рабочих
характеристик пространственных пластинчатых элементов технических систем
гидроакустического экранирования с внутренней перфорацией туннельными
цилиндрическими полостями с газовоздушным либо упругим эластичным заполнением;
разработанные в процессе исследований комплексы программных приложений для реализации предложенных теоретических методик исследования характеристик конструкций гидроакустических экранов с комплексом усложненных физико-механических и геометрических свойств;
результаты практической разработки и внедрения новых элементов технических систем гидроакустического экранирования с использованием теоретических результатов проведенных исследований, в том числе, данные, характеризующие опыт эффективного практического применения ряда основных результатов работы при конструировании технических систем гидроакустического экранирования для нескольких типов подводных транспортных средств.
Научная новизна работы в контексте представленных целей заключается в следующем:
1. На основе системного анализа проблемы гидроакустической активности подводных
транспортных средств и подводных сооружений, а также методов ее снижения, с
применением методов нечеткого иерархического моделирования предложены новые
эффективные приемы решения проблемы определения комплекса механизмов для
оптимизации характеристик технических систем гидроакустического экранирования с
учетом природы источников, способов подавления и переориентации акустических сигналов.
-
Предложены численно-аналитические методы исследования и структурно-параметрической оптимизации нового класса моделей технических систем гидроакустического экранирования с однослойными, двухслойными и трехслойными плоскими трансверсально-изотропными элементами из вязкоупругих функционально-градиентных материалов
-
Разработаны новые модификации теоретических алгоритмов исследования и структурно-параметрической оптимизации моделей плоских многослойных гидроакустических экранов из вязкоупругих однородных и функционально-градиентных нанокомпозитных анизотропных материалов триклинной системы, включая экраны с жидкостными прослойками и мембранными покрытиями граничных плоскостей.
4. Предложены новые методики анализа моделей функционирования и оптимизации
параметров однослойных и двухслойных обладающих экспоненциально-степенной
неоднородностью физико-механических характеристик плоских элементов технических
систем гидроакустического экранирования, изготовленных из вязкоупругих анизотропных нанокомпозитных материалов триклинной системы.
5. Осуществлены разработка и теоретический анализ новых модификаций моделей функционирования цилиндрических функционально-градиентных анизотропных элементов систем экранирования гидроакустических преобразователей и антенн, включая разработку методик структурно-параметрической оптимизации их рабочих характеристик.
7. Предложены новые усовершенствованные модификации прикладных моделей
структурно-параметрической оптимизации характеристик многосвязных перфорированных
анизотропных пластинчатых элементов технических систем гидроакустического
экранирования с герметизированными поперечными полостями.
8. Осуществлена разработка новой геометрически точной модели функционирования
поперечно-анизотропного функционально-градиентного перфорированного
гидроакустического экрана с герметизированными поперечными полостями при учете
обусловленных гидростатическим давлением начальных деформаций в рамках
линеаризованной теории сжимаемых предварительно-напряженных сред и предложена новая
модификация численно-аналитического метода ее анализа и структурно-параметрической
оптимизации с использованием рядов по базисным системам динамических однородных
решений.
-
Впервые разработана и применена методика нечетко-множественного анализа факторов неопределенности в прикладной модели нечеткого оценивания рабочих характеристик перфорированных анизотропных гидроакустических экранов с герметизирующими покрытиями при учете неконтрастности физико-механических и геометрических экзогенных параметров.
-
Впервые предложены и исследованы нечеткие оптимизационные модели плоских анизотропных функционально-градиентных элементов технических систем гидроакустического экранирования с учетом факторов неопределенности параметров их конструктивного исполнения и функционирования.
11. Разработана новая численно-аналитическая методика моделирования и
оптимизации рабочих характеристик пространственных пластинчатых элементов
технических систем гидроакустического экранирования с внутренней перфорацией
туннельными цилиндрическими полостями с газовоздушным либо упругим эластичным
заполнением.
12. Осуществлена систематизация ряда новых исследованных физико-механических
эффектов, представляющих интерес в предпроектных расчетах оптимизированных
конструкционных элементов для технических систем подводного гидроакустического
экранирования.
13. Предложены эффективные модифицированные варианты решения проблемы
выбора оптимизированных конструкций гидроакустических экранов исследованного типа в
технических системах с учетом комплекса условий, касающихся частотных диапазонов
функционирования и ограничений по геометрическим и физико-механическим
характеристикам.
14. Разработаны авторские комплексы программных приложений для компьютерной
реализации предложенных теоретических методик исследования характеристик
инновационных конструкций гидроакустических экранов с комплексом усложненных
физико-механических и геометрических свойств.
Методы исследования. В работе использованы апробированные методы системного анализа, методы нечетко-множественного иерархического моделирования и анализа функциональных зависимостей с нечетко-множественными аргументами на основе применения эвристического принципа расширения, методы и алгоритмы многокритериальной структурно-параметрической оптимизации, теоретические методы гидроакустики и теории волновых процессов в функционально-градиентных анизотропных
композитных конструкционных элементах технических систем гидроакустического экранирования.
Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается использованием в них строгих математических методов системного анализа, верифицированных методов теории нечетких множеств, методов математической физики, методологических основ структурно-параметрической оптимизации, апробированных моделей физико-механических процессов в ультраакустике; анализом результатов, получаемых на разных стадиях апробации разрабатываемых моделей и алгоритмов, в том числе, результатов компьютерного моделирования; согласованностью результатов, полученных для предельных частных случаев, с представленными в научной литературе результатами других исследований и опытными данными; теоретико-экспериментальными данными, полученными при внедрении и практическом использовании результатов в Техническом институте военно-морских сил Социалистической Республики Вьетнам.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные в диссертации детерминистические и нечеткие математические модели, численно-аналитические методы их исследования, созданные программные приложения для реализации теоретических методик исследования характеристик конструкций гидроакустических экранов с комплексом усложненных физико-механических и геометрических свойств, а также закономерности и выводы, полученные в результате из применения, являются научной основой для принятия эффективных инновационных проектно-конструкторских технических решений, обеспечивающих в перспективе дальнейшее снижение гидроакустической активности подводных транспортных средств и подводных сооружений, а также повышение точности работы их гидроакустического приборного оснащения.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы получили применение и внедрены на практике в ряде предприятий и проектно-конструкторских институтов различных стран. Основные теоретические положения проведенных исследований подтверждены при использовании в практической деятельности ряда проектно-конструкторских и технических организаций Вьетнама. В частности, созданные математические модели, методы их исследования и алгоритмы реализации, представленные расчетными методиками и комплексами прикладных программ, использовались:
- в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах Технического
института военно-морского флота Вьетнама;
- в учебных курсах «Системное проектирование» в Морском университете г. Хайфон,
Вьетнам;
в опытно-конструкторских работах научно-производственных компаний
судостроительного сектора Вьетнама.
Апробация результатов работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на ряде Международных, региональных и ведомственных научных и научно-технических конференций, семинаров и совещаний, в том числе:
- на научно-технических семинарах в Научно-исследовательском и
экспериментальном институте автомобильной электроники и электрооборудования
Министерства промышленности и торговли РФ (г. Москва, 2012-2018гг.);
- на Международных научных и научно-практических конференциях, в том числе на
Международной летней научной школе «Парадигма» (20-23 августа 2015г., г. Варна,
Республика Болгария); на Международной научной конференции «Актуальные проблемы
прикладной математики, информатики и механики» (16 - 18 декабря 2015г., г. Воронеж,
Воронежский государственный университет); на Международной научной конференции
«Modern informatization problems in simulation and social technologies: the XXIII-th International
Open Science Conference» (Yelm, WA, USA, January 2018); на VI и VII Международных
научно-практических интернет-конференциях «Современные тенденции развития математики и её прикладные аспекты - 2017» (г. Донецк, 26 мая 2017 г.), «Современные тенденции развития математики и её прикладные аспекты - 2018» (г. Донецк, 27 мая 2018 г.);
- на научно-практических конференциях в Технологическом университете г. Хошимин (СРВ), Национальном морском университете г. Хайфон (СРВ), в Научно-исследовательском техническом институте военно-морских сил Вьетнама (2012-2018гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 68 научных работ, в числе которых 13 статей в научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК РФ; из них одна статья в издании, входящем в Международную наукометрическую базу MathSciNet, а также три монографии.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, одиннадцати глав, заключения с основными выводами и результатами по работе, списка литературы и приложения.
Характеристика источников и методов снижения акустической активности подводных транспортных средств
Исходным аспектом в исследовании проблемы гидроакустической защиты и снижения уровней акустической эмиссии подводных транспортных средств (ПТС), а также смежной проблемы оптимизации технологических схем использования информационного потенциала волновых полей в гидроакустических системах ПТС за счет экранирования побочных шумов-помех и обеспечения параметров направленности антенн и излучателей, является систематизация широкого спектра данных [3-4, 7-8, 14-15, 17, 25-27, 29, 32-34, 43-44, 46, 51-56, 62, 68-71, 75, 77, 81-85, 89-93, 96-97, 101, 109-111, 116-123, 130, 133-134, 138-141, 144, 147, 158, 166-169, 171, 173, 175-176, 179-180, 185, 186-191] об источниках акустической активности ПТС.
Осуществляемый анализ базируется на концептуальном определении понятия акустического поля ПТС как области пространства, в которой формируются контрастные поля акустических волн, образованных самим ПТС или отражающихся от поверхности его корпуса.
Движущееся ПТС служит излучателем самых разнообразных по значению и характеру акустических колебаний, комплексное действие которых на окружающую водную среду генерирует интенсивный подводный шум в диапазоне от инфра- до ультразвуковых частот. Данное явление классифицируют как первичное акустическое поле корабля. Характер излучения первичного поля и его распространения определяются, как правило, водоизмещением, обводами (обтекаемостью формы) корпуса и скоростью хода ПТС, типом главных и вспомогательных рабочих механизмов. ПТС являются весьма сильными источниками подводного звука, поскольку для приведения их в движение, для управления и создания условий для обитания экипажа требуется множество машин и механизмов с вращательным и возвратно-поступательным движением. Эти машины и механизмы создают вибрации, которые предаются сквозь корпус корабля и воду с генерированием подводного звука.
Источники акустической активности (шума) ПТС с учетом широко используемых версий классификации [13, 15, 17, 27, 29, 43, 51, 54, 68, 81, 84-85, 91-92, 113, 121, 138, 147, 169, 185] могут быть отнесены к следующим основным типам:
шум машин и механизмов;
шум винта;
гидродинамический шум;
эксплуатационный шум функционирования инфраструктуры ПТС, рабочих процессов и действий экипажа;
сигналы акустической эмиссии, связанной с деформациями корпуса при высоких давлениях;
сигналы активных гидроакустических систем.
Причины изменения параметров шума, излучаемого ПТС, связаны также с особенностями распространения акустических сигналов различных частот в водной среде [160].
Шум машин является парциальной составляющей общего шума подвижного объекта, создаваемой установленными в нем машинами и механизмами (двигателями, насосами, вентиляторами, валами и т.д.). Гидродинамический шум классифицируется как акустическое излучение, генерируемое вследствие неравномерного обтекания корпуса ПТС и присоединенных элементов при движении в акустической среде. Шум винта интерпретируется как смешанная форма шума, с природой и особенностями, свойственными как шуму машин, так и гидродинамическому шуму [27, 43, 51, 54, 81, 84-85, 91-92, 121, 147, 169]. Шум машин порождается механической вибрацией разнообразных элементов движущегося ПТС, передаваемой в окружающую жидкую акустическую среду через его корпус. Значительную роль в формировании шума машин играют конструктивные элементы, при помощи которых вибрирующие механизмы соединяются с корпусом [9, 15, 17, 29, 51, 54, 81, 84, 91, 104-105, 121-123, 138, 147, 164].
К источникам вибраций машин [15, 17, 27, 29, 43, 51, 54, 68, 81, 84-85, 91-92, 121, 138, 147, 169, 185] в первую очередь относятся:
вращение несбалансированных частей машин, например, эксцентричных валов или якорей двигателей;
наличие повторяющихся толчков и соударений, возникающих, в частности, при зацеплении зубчатых колес редукторов, вращении якорей со щелями в электродвигателях, вращении лопаток турбин;
возвратно-поступательное движение отдельных частей механизмов, в первую очередь поршневых машин, приводимых в движение взрывами рабочей смеси в цилиндрах;
кавитация и турбулентность потока жидкости в помпах, трубопроводах, клапанах и конденсаторных установках агрегатов ПТС;
механическое трение в подшипниках и цапфах;
Источники первых трех указанных типов генерируют акустическое излучение с дискретным линейчатым частотным спектром, в котором преобладают тональные составляющие на основных частотах и частотах гармоник процессов, порождающих вибрацию. Каждая конкретная машина и рабочее устройство ПТС создает периодическую вибрацию на присущей ей основной частоте, в результате чего генерируется ряд дискретных составляющих на определенных частотах и их гармониках, имеющих нерегулярный и изменчивый характер. При этом вибрационные излучения в окружающую акустическую жидкую среду зависят не только от внутреннего уровня интенсивности вибраций, но также и от того, каким образом вибрация передается корпусу. Определяющим фактором при эмиссионном излучении звука является способ установки и закрепления машин и приборов на амортизированных основах, непосредственно влияющий на вибрацию корпуса [15, 17, 29, 51, 54, 81, 84, 91, 121, 138, 147]. Вибрации механизмов передаются на корпус и через неопорные связи механизмов с корпусом (трубопроводы, водопроводы, кабели); через воздух в отсеках ПТС. В частности, возможны специфические эффекты вызываемого вибрацией машин резонансного возбуждения больших участков корпуса, определяемого в инженерной практике как «гудение корпуса». В целом же, за счет большого числа источников, спектр шума машин движущихся ПТС содержит дискретные составляющие весьма различного уровня и происхождения и, следовательно, подвержен изменениям по величине и частоте вместе с изменением условий его возникновения [15, 17, 27, 29, 43, 51, 54, 68, 81, 84-85, 91-92, 121, 138, 147, 169, 185].
Последующие указанные источники, согласно результатам исследований [27, 29, 43, 51, 54, 81, 84-85, 91, 121, 138, 147, 158, 169, 185], генерируют шум, имеющий непрерывный спектр с наложенными дискретными составляющими в тех случаях, когда в структурных элементах возбуждаются резонансные колебания. Таким образом, в целом спектр шума машин движущегося ПТС представляет собой суперпозицию непрерывного спектра низкого уровня, а также интенсивных дискретных составляющих, формирующихся в результате одного или нескольких перечисленных выше процессов генерирования вибраций.
Широкополосные шумы зависят от скорости ПТС. Узкополосные шумы обусловлены работой корабельных механизмов, в особенности таких устройств, как главные циркулярные насосы ядерной энергетической установки, турбины, редукторы и т.д. Они могут представлять собой отдельные спектральные линии (дискреты) на основной частоте вибраций механизма, либо на ее гармониках. Дискретные составляющие, обусловленные работой вспомогательных механизмов, как правило, стабильны по уровню и по частоте и не зависят от скорости корабля. Ширина спектральной линии составляет 0.03—0.3 % от частоты и пропорциональна ей.
Амплитуда и частота дискретных составляющих спектра, обусловленных системой движения и винтами ПТС, изменяются в зависимости от скорости ПТС; их ширина обычно больше, чем у дискретных компонент, возникающих вследствие работы вспомогательных механизмов. В некоторых случаях дискретные составляющие образуют звукоряды. В высокочастотной части спектра могут присутствовать кратковременные шумы, обусловленные открыванием крышек технологических люков, а также интенсивным маневрированием ПТС.
Схема идентификации источников акустических вибраций, связанных с работой машин и механизмов, в частном случае ПТС с дизель-электрическим приводом представлена на рис.1.1.
Численно-аналитическое исследование и параметрический анализ модели однослойного трансверсально-изотропного функционально-градиентного экрана
В данном разделе работы представлены разработка и результаты применения методики исследования моделей функционирования плоских однослойных и многослойных гидроакустических экранов из трансверсально-изотропных функционально-градиентных материалов с экспоненциальной неоднородностью физико-механических свойств по направлению вдоль оси изотропии, являющемуся толщинным направлением для рассматриваемых плоских экранов. Материалы такого класса охарактеризованы в разделе 1 настоящей работы как один из наиболее современных типов композитов, формируемых на базе технологий ЗО-печати и перспективных для использования в технических системах гидроакустического экранирования.
В контексте поставленной задачи, рассматривается плоский конструкционный элемент технической системы гидроакустического экранирования в виде деформируемого слоя, занимающего в пространстве нормированных прямоугольных декартовых координат Охххгхъ область VSL={(xi,x2)GR2,x3G[hl,h2]} Полагается, что материалом слоя является линейно-вязкоупругий трансверсально-изотропный функционально-градиентный материал с ориентированной вдоль Ох3 осью изотропии, определяющие соотношения для которого могут быть записаны в виде нормированных частотно-зависимых модулей упругости вязкоупругой трансверсально-изотропной среды, X - параметр экспоненциальной неоднородности механических свойств; со - циклическая частота исследуемого волнового процесса. Для параметра плотности неоднородного материала вводится представление р = р ехр(Хх3); в качестве нормирующих параметров при переходе к безразмерным характеристикам для величин линейной размерности используется параметр h , для параметров плотности р , а для величин с размерностями механических напряжений - параметр с .
Как и в моделях, представленных в предшествующем разделе, подобласти вне слоя v } = {(X1,X2)GR2,X3 є (-00, fy)}, Vp+) ={(X1,X2)GR2,X3 є(/г2, oo)} полагаются заполненными слабосжимаемой идеальной жидкостью, которая соответственно характеризуется параметрами плотности в невозмущенном состоянии р , р(0+) и адиабатическими модулями сжимаемости к{ \ гс(+). В исследуемом случае рассматривается нормальное падение из глубины области р.на поверхность раздела Г_ = {(X1,X2)GR2,X3 =hl) плоской монохроматической волны давления с циклической частотой со. Комплексный потенциал падающей гидроакустической волны имеет представление Ф =(р(0 ) exp(-i(cot-k(F)x3)) , в котором ср - исходный амплитудный параметр, к - волновое число гидроакустической волны в среде, заполняющей область VF }. При этом в VF } генерируется отраженная от Г_ гидроакустическая волна с комплексным потенциалом Щя = 02) ехР( / (й + г)хз)), а на поверхности Г+ ={(х1,х2)єі?2,х3 =h) в заполненном жидкостью полупространстве Vp+) возбуждается прошедшая экран гидроакустическая волна с комплексным представлением волнового потенциала Ф(+) = ср(0+) exp(-i(cot - +)х3)) .
Система соотношений математической модели волновых деформационных процессов в экране, помимо определяющих соотношений (3.1), в рамках рассматриваемого варианта постановки включает уравнение для колебательных перемещений її3 в линейно вязкоупругом трансверсально-изотропном функционально-градиентном материале экранирующего слоя
На основе интегрирования (3.2), в предположении о гармонической экспоненциальной зависимости характеристик волнового деформирования слоя от времени, для комплекснозначных характеристик волнового поля в слое могут быть последовательно получены представления содержащие неопределенные постоянные коэффициенты и_,и+. Из представлений (3.3) следуют выражения для амплитудных граничных функций соответствующих характеристик волновых волей в экранирующем слое
Для исследования моделей трансверсально-изотропных функционально-градиентных экранов используются также полученные выше амплитудные комплекснозначные граничные представления (2.15), (2.18) для характеристик волновых полей в заполненных жидкостями полупространствах
Применение рассматриваемой методики в задаче для однослойного трансверсально-изотропного функционально-градиентного экрана с граничными плоскостями х3 = 0 и х3 = \ приводит к вытекающей из краевых условий системе соотношений для амплитудных граничных представлений Ga(0) = GP (0), Gut(0) = Gv\0), Ga{}\)= GP+ (/z,), Gut(l\) = С(у\}\). (3.5)
В свою очередь, соотношения (3.5) трансформируются в систему линейных алгебраических уравнений четвертого порядка относительно компонентов вектора неопределенных коэффициентов { \и_,и+, +)}, для которой ненулевые элементы матрицы AJ (/ , у = 1,4) и столбца правых частей \cj (j = 1,4) имеют вид: что, в свою очередь, позволяет записать аналитические выражения для характеристик эффективности экранирования, в качестве которых рассматриваются амплитудные соотношения для давлений а также их квадратов, характеризующие энергетику рассматриваемого процесса.
Построенное аналитическое решение может быть использовано в процессе исследования параметрических зависимостей для показателей эффективности экранирования при различных схемах варьирования подмножества аргументов из совокупности эндогенных характеристик к - ,Ро ,с3з,с3з,рД,/г,со. Для численной реализации параметрического анализа разработано и апробировано программное приложение в среде пакета Mathematica 6.0.
В частности, в качестве примера параметрических исследований может быть приведены результаты анализа зависимостей характеристик g-, g) от величины показателя экспоненциальной неоднородности Л в диапазонах -1 Л о и о А 1 для экрана с фиксированными приведенными характеристиками при падении на него гидроакустической волны с приведенной циклической частотой 0 = 1.0. Результаты расчетов, приведенные на рис. 3.1 - 3.8, позволяют, в частности, сделать вывод о том, что при уменьшении величины показателя Л от Л = 0. до Л = -\. показатель относительной интенсивности отраженной гидроакустической волны уменьшается от значения =0.66 до значения =0.455 (рис. 3.1), а показатель относительной интенсивности g2 гидроакустической волны, генерируемой в жидкости за экраном, увеличивается от значения = 0.755 до значения & = 0.89 (рис. 8.3). В диапазоне увеличения величины показателя Л от Л = 0. до Л = \. тенденция оказывается противоположной. Показатель относительной интенсивности отраженной гидроакустической волны gj увеличивается от значения =0.66 до значения =0.89 (рис. 8.5), а показатель относительной интенсивности g2 для гидроакустической волны, генерируемой в жидкости за экраном, уменьшается от значения g = 0.75 до значения = 0.46 (рис. 3.7)
Моделирование процессов распространения упругих волн по толщине перфорированных анизотропных элементов экранирования на базе прикладных гипотез
В практике создания защитных гидроакустических покрытий и элементов конструкций гидроакустического экранирования для ПТС широкое распространение получили структуры в виде многосвязного (перфорированного) деформируемого слоя с системой поперечных цилиндрических полостей, которые герметизированы тонкими жесткими или эластичными пластинами на гранях (рис. 7.1). При этом отмечается [47], что в изученных характерных типах таких структур материал слоя является изотропной вязкоупругой средой – эластомером (жесткий пенополиуретан, резина), герметизирующие пластинчатые покрытия изготавливаются из металла или резины, а воздухонаполненные полости (цилиндрические каналы), как правило, имеют равные диаметры и размещаются по схеме плотной упаковки с гексагональной решеткой положений центров сечений.
Принципиальное значение для анализа характеристик защитных и экранирующих свойств гидроакустического покрытия данного типа играют вопросы определения скоростей волн деформаций, распространяющихся по толщине его слоя, дающих, в свою очередь, возможность получения оценок для волнового сопротивления (импеданса) подобного микроструктурного покрытия. Обозначенная проблема оценивания скоростей упругих волн может исследоваться в рамках нескольких подходов, в разной степени учитывающих полноту множества подлежащих учету факторов в рассматриваемых процессах волнового деформирования.
Первая гипотеза в методиках оценки скоростей волн деформаций для моделей рассматриваемых гидроакустических экранов базируется на соображении о том, что, вследствие симметрии расположения поперечных полостей – каналов, механические свойства данной многосвязной конструкции определяются параметрами уединенной цилиндрической трубки (рис. 7.2), на наружной поверхности которой нулевые значения имеют радиальные упругие перемещения и касательные напряжения. Такой характер механических условий на внешней поверхности единичной трубки классифицируется как размещение ее в жесткой обойме, в которой трубка деформируется без трения на внешней граничной поверхности.
Эти соображения используются в процессе анализа гидроакустических свойств данного многосвязного элемента технической системы гидроакустического экранирования ПТС - в задаче определения скоростей упругих волн вдоль волноводов - трубок с данными физико-механическими и геометрическими свойствами и видом краевых условий на цилиндрических граничных поверхностях трубок. Результаты подробных исследований для многосвязных покрытий и экранов данного типа из эластичных изотропных материалов представлены, в частности, в монографии [47].
Возможный подход к анализу характеристик волнового сопротивления заключается и в получении приближенных квазистатических оценок для релеевских поправок в скоростях упругих волн по толщине многосвязного анизотропного экранирующего слоя с учетом герметизации полостей жесткой металлической пластиной [47].
В этой связи, исследования, представляемые в данной работе, имеют задачей обобщение охарактеризованных выше результатов на случаи многосвязных перфорированных герметизированными цилиндрическими каналами гидроакустических экранов и покрытий ПТС из поперечно-анизотропных однородных либо функционально-градиентных материалов.
В рамках первого охарактеризованного выше подхода, подлежащая исследованию прикладная модель описывает распространение осесимметричных волн деформаций продольно-сдвигового типа вдоль цилиндрической трубки концентрического кольцевого сечения S = {Rj г R2, 6 є [0,27і]} из трансверсально-изотропного материала с осью изотропии, ориентированной вдоль оси Oz цилиндра, при дополнительном предположении об экспоненциальной функционально градиентной неоднородности физико-механических свойств материала вдоль указанного осевого направления. Поверхность внутренней воздухонаполненной цилиндрической полости г = Rj трубки считается свободной от механических напряжений, а на внешней поверхности г = R2, как указывалось выше, полагаются нулевыми радиальные упругие волновые перемещения и касательные напряжения.
В рамках данных предположений модель включает: систему уравнений связи малых осесимметричных деформаций с компонентами вектора волновых упругих перемещений ur, uz в связываемой с трубкой цилиндрической системе координат
Здесь при m = 0 начальные значения в рекуррентном соотношении (7.13) описываются двумя схемами получения, в совокупности определяющими полный набор базисных частных решений уравнения (7.10). В первом случае значения v- (j = l,2), (Rev - 0) являются корнями характеристического уравнения
Подстановка этих представлений в краевые условия на цилиндрических поверхностях трубки (7.4), записываемых с учетом ведения обобщенной кольцевой координаты С,, приводит к отражающему условие нетривиальной разрешимости однородной системы линейных алгебраических уравнений относительно A(jq) дисперсионному соотношению
Соотношение (7.20) является основным теоретическим результатом исследования анализируемой модели, и значения его корней определяют параметры фазовых скоростей бегущих и краевых стоячих упругих волн в толщинном направлении многосвязного перфорированного гидроакустического экрана для ПТС, а также его волновые сопротивления. Варьирование переменными управления в данной модели, к которым относятся значения характеристик с- упругих постоянных, характеристики параметров плотности р, функционально градиентной неоднородности X и коэффициента перфорации т = Rj / R2 покрытия позволяет оптимизировать характеристики элементов технических систем гидроакустического экранирования для ПТС с достижением показателей, которые не могут быть получены при использовании в конструкциях рассматриваемых покрытий однородных изотропных материалов.
Анализ модели плоского гидроакустического экрана с периодической системой внутренних туннельных цилиндрических полостей
Решение задач дальнейшего поиска механизмов эффективного функционирования систем гидроакустического экранирования в качестве подлежащих анализу направлений предполагает, в частности, исследование моделей трансформации упругих волн при их распространении по толщине контактирующего с акустическими средами деформируемого слоя с различным и типами внутренней неоднородности физико-механических и структурно-геометрических характеристик [28-29, 44-47]. Одним из типов изучаемых в этой связи конструкций гидроакустических экранов является плоско-параллельный упругий слой с периодическим рядом внутренних туннельных параллельных плоским граням протяженных однотипных цилиндрических полостей либо эластичных включений из функционально-градиентных материалов с непрерывной радиальной неоднородностью де формативных свойств и показателей плотности. Применительно к объектам данной структуры анализ процессов волнового деформирования может быть выполнен на базе представляемой в данной работе численно-аналитической методики.
Полагается, что рассматриваемый объект представляет собой перфорированный изотропный слой с параметрами Ламе Л, /л и плотностью р, содержит бесконечный периодический ряд отстоящих друг от друга на расстояние 2/ туннельных цилиндрических полостей радиуса R (R h) с центрами на оси Ох1 и занимает в координатном пространстве Ох1х2х3 область
Полубесконечные области V+ ={h x3,(x1,x2)GR2} и у_={хъ -h, (JC1,JC2)G R2} полагаются заполненными идеальной слабо сжимаемой жидкостью. Процессы распространения гидроакустических волн в этих областях соответственно описываются уравнениями для потенциалов ср+, ср_ акустических полей, а также соотношениями связи указанных потенциалов с полями скоростей v+, v волновых колебательных смещений частиц акустической среды и волновыми акустическими давлениями р+, р : где cf} = (гс(±)р(±1у2 - скорости объемных акустических волн в жидкостях, к(±) - адиабатические модули сжимаемости для акустических сред, pf } плотности акустических сред в невозмущенном состоянии. В рассматриваемом случае полагается, что из глубины V_ вдоль положительного направления оси Ох3 на поверхность Г = {х3 = -h, (хх,х2) є R2} нормально падает плоская монохроматическая волна гидроакустического давления с циклической частотой со и комплексным потенциалом параметр, к(р- волновое число. При этом в заполняющей v_ акустической среде возникает отраженная волна с потенциалом 0) = Р } exp(-i(cot + k(f}x3y), а в области V+ с граничной поверхностью Г+ ={х3 =h, (хг,х2)є R2} генерируется волна с потенциалом ср+ = PQ+) exp(-i(a)t-k(f+)x3)). На поверхностях контакта слоя VL с жидкостными полупространствами V+ и v_ задаются условия (сг33 + Р±)х =±h = 0 , (сг3 .)ж =±h = О (7 = 1,2), (5//3 - v3±)x =±й = 0 , (11.3) где v3± - соответствующие компоненты векторов v+, v скоростей движения частиц акустических сред.
В слое VL экранирующего элемента при рассматриваемых воздействиях формируется поле двухпарциальных упругих волн, описываемых посредством введения соответствующих потенциалов 0{xi,x3,t),x(xl,x3,t) для комплексного вектора волновых упругих перемещений
Вводимые потенциалы подлежат определению из уравнений
При указанном характере воздействий экранирующий слой VL находится в состоянии динамической плоской деформации в плоскостях, коллинеарных Оххх3. Соответственно, в случае введения в комплексных амплитудных характеристик волновых упругих перемещений {ur {L)(rp,0p), ue(L)(rp,6p)} и динамических напряжений o-apL){rp,9p) (а,р = гр,0р) для материала слоя VL, граничные условия на свободных от напряжений поверхностях Тр записываются в виде (агг(ь\Я,вп))т = 0, (ar}L)(R,6n))Y =0. (И-6)
В рамках разрабатываемой методики для потенциалов волнового поля в VL с учетом свойства периодичности упругих перемещений и напряжений вдоль Охх с периодом 2/ рамках применения теории Флоке [54] вводятся представления в виде суперпозиций разнотипных базисных решений в основных координатах Охххъ и в локальных координатных системах Оргр9р с подлежащими определению группами постоянных коэффициентов Ап±, Сп±, Вд, Gq: где выбор знака ± зависит от значения координатной переменной х3 и соответствует sgn(x3), а остальные обозначения приведены в [48]. Граничные представления, получаемые из соотношений (11.9), (11.10) на Г+ и Г , представляют собой ортогональные ряды по переменной хх. В свою очередь, представления (11.7), (11.8) могут быть записаны на контуре Г0 в центральной локальной координатной системе как ортогональные разложения по переменной в0 с использованием теорем сложения цилиндрических функций в форме, приводимой в работе [54], а также с применением полученных в [106] соотношений
Заключительный этап реализации представляемой численно-аналитической методики заключается в получении и использовании найденных в виде разложений в ортогональные ряды контурных представлений для характеристик волновых деформационных полей в экранирующем слое на центральной цилиндрической поверхности
При этом, ввиду учтенного свойства периодичности, из серии условий на цилиндрических поверхностях рассматриваются только условия для контурной поверхности Г0. Свойства ортогональности контурных представлений позволяют эффективно трансформировать функциональные краевые условия в бесконечные системы линейных алгебраических уравнений для коэффициентов Ап±, Сп±, В Gq i (_), Р0(+) в представлениях характеристик волновых полей, имеющие вид
Полученные системы при численной реализации описываемой методики полежат редукции, порядок которой определяется на основе контроля качества удовлетворения граничным условиям.