艦艇動力裝置的運動仿真與聲學特性預報.pdf

1、動力裝置的振動是艦艇的輻射噪聲與自噪聲的重要來源，也是影響艦艇的生命力與作戰(zhàn)能力的重要指標。因此，從聲隱身的角度，對艦艇動力裝置振動的研究及控制是海軍裝備研制中的一項重要內容。 擺盤發(fā)動機是艦艇動力裝置的一種型式，它可用于魚雷、特種深潛器以及海軍新型裝備的動力裝置。由于其功率傳動機構為空間連桿機構，具有許多傳統(tǒng)的平面曲柄連桿機構所不及的優(yōu)點，眾多的魚雷及水下航行器將其作為動力裝置。以往對艦艇發(fā)動機的研制工作基于傳統(tǒng)的解析方法，對

2、于擺盤機這類復雜的發(fā)動機結構方案的確定，往往難以勝任，從而導致研制周期長，發(fā)動機性能的提高受到制約。采用仿真技術，通過虛擬樣機的設計，探討發(fā)動機在各種工況下的合理的結構方案，已經成為海軍裝備研制的新途徑。 本論文以艦艇擺盤動力裝置的參數化設計、運動仿真、振動與噪聲預報為研究內容，通過建立擺盤動力裝置的虛擬樣機以及進行發(fā)動機的運動學與動力學的仿真分析，研究不同結構方案時的發(fā)動機的激勵特性，探索減小動力裝置振動的途徑；在此基礎上，采

3、用有限元和邊界元相結合的方法，研究艦艇的聲輻射特性，實現機械噪聲特性的預報。本論文的主要工作內容和計算分析結果如下： 1) 建立擺盤發(fā)動機及其主要運動部件的三維實體模型，對發(fā)動機部件實現參數化設計，得到多方案的模擬物理樣機。在參數化設計中，設定的可變參數包括氣缸分布圓直徑、連桿的長度和擺盤后球心分布圓直徑。在保持擺盤的傾角和擺盤與氣缸體的中心距不變的情況下，當氣缸分布圓直徑變化時，擺盤后球心分布圓直徑隨之變化，連桿的長度被動的隨

4、之變化。此外，利用軟件的裝配功能，建立了一個包括擺盤動力裝置、輔機和推進器等在內的艦艇三維模型。 2) 利用參數化設計的結果，對不同結構參數的艦艇擺盤動力裝置方案進行運動仿真，得到各部件的位移、速度、加速度以及受力等運動學與動力學參數；建立擺盤動力裝置在隔振條件下的虛擬樣機，仿真得到發(fā)動機的運動特性以及通過隔振裝置對艦艇殼體結構的激勵特性。這些結果為發(fā)動機結構的改進以及估計艦艇的水下噪聲提供了依據。 通過仿真可知，雖然擺

5、盤發(fā)動機各部件的運動學和動力學特性不會因為不同的隔振支承方案或者不同的隔振支承剛度而改變，但是，發(fā)動機傳遞到艦艇外殼的振動能量會隨著支承剛度的提高而增大，仿真的結果揭示了內在的規(guī)律。 對擺盤發(fā)動機來說，增大氣缸分布圓直徑可以提高發(fā)動機的功率，但增大分布圓直徑的主要困難是受到艦艇殼體對發(fā)動機輪廓尺寸的限制。加大連桿后球心分布圓直徑有利于發(fā)動機功率的提高，但是會使活塞與連桿的機械負荷增大。因此，應合理地增大氣缸分布圓的直徑以提高發(fā)動

6、機的功率。 3)基于艦艇擺盤動力裝置的參數化結構設計方案，論文建立了有限元分析模型，并且將仿真得到的激勵特性參數作為有限元模型的邊界條件進行加載；在此基礎上，研究了擺盤動力裝置的振動沿隔振裝置向殼體傳遞的特性。此外，論文還利用有限元與邊界元方法，將計算得到的艦艇殼體的振動作為聲學計算的邊界條件，實現特定條件下的艦艇機械噪聲的預報。 通過艦艇結構的振動傳遞率分析，隔振效果較差的幾個波峰是由艦艇系統(tǒng)的固有特性引起的；離振源越

7、遠，傳遞率也就越小。艦艇結構的聲輻射特性與振動結構的形狀、模態(tài)振型和模態(tài)頻率有很大的關系。因此，在艦艇的降噪中，要針對結構的固有振動特性采取必要的措施。 綜上所述，論文以艦艇的振動源為對象，探索了艦艇降噪的途徑，利用虛擬樣機技術，對擺盤動力裝置這樣一種復雜的機械結構進行了運動仿真與分析。從研究工作的意義上說，論文采用的方法既能大幅度降低發(fā)動機的研制成本，又能從全局上對擺盤發(fā)動機進行多方案的評估和優(yōu)化，有利于縮短發(fā)動機的研制周期，