附加质量对圆柱壳振动特性的影响

不同激励对轴对称圆柱壳声振特性的影响张玉海;石焕文;唐文文【摘要】研究两端分别带有锥形和半球形封盖的轴对称圆柱壳模型.通过有限元/边界元方法,分析不同类型的激励对此模型声振特性的影响,以及当激励类型相同时改变模型的结构参数对其声振特性的影响.结果表明:在不同类型的激励方式中,轴向力矩激励对模型声振特性的影响最大,径向力激励和轴向力激励对模型声振特性的影响次之,周向力激励对模型声振特性的影响最小;当激励类型相同时,在不同的激励频率范围内增加模型的壳体厚度或增加模型圆柱壳段内的环肋数目对模型声振特性的影响与激励频率的范围有关.%An axisymmetrical cylindrical shell model with conical and half spherical cap ends is ing finite element method and boundary element method,the effect of different excitations on the acoustics and vibration characteristics,the relations between structure parameters and the acoustics and vibration characteristics are investigated.Our results show that:comparing with other excitations,the axial moment excitation has the greatest effect on the acoustics and vibration characteristics,the radial force and axial force also have the contribution to such effect,and the impact of circumferential force is minimum.With the same excitation,when shell thickness or ring stiffeners number of the model increases,the effect of the acoustics and vibration characteristics is not same in the different frequency range of the excitation.【期刊名称】《陕西师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(041)004【总页数】4页(P40-43)【关键词】激励方式;轴对称圆柱壳;声振特性;有限元/边界元【作者】张玉海;石焕文;唐文文【作者单位】长安大学理学院,陕西西安710064;长安大学理学院,陕西西安710064;长安大学理学院,陕西西安710064【正文语种】中文【中图分类】O426.1;TV312水下航行器（鱼雷、潜艇）的声隐身性是衡量其战斗力的重要指标，能否精确地预报它们的声振特性直接关系到其隐蔽性的好坏，因此对水下航行器的声振特性研究一直是备受国内外学者关注的研究课题．在国内有石焕文等人基于圆柱壳的振动方程和声辐射阻抗［1］，在考虑结构损耗的情况下，分别用有限元／边界元方法和数值方法计算两端带有平底圆柱壳的辐射声场指向性，并对结果进行对比得到激励力频率和模型辐射声场指向性的关系．陈炜等人分析空气中不同类型激励对环肋平底圆柱壳声辐射特性的影响［2］．对于模型只在某一种激励下的声振特性的研究有许多，比如文献［3］采用模态叠加的方法，研究在轴向力激励下锥－柱结合壳的结构参数对艇体纵向振动和声辐射的影响．文献［4］研究了两端带有平板有限长圆柱壳，探索在径向力激励时加筋的高度、宽度、数目对模型声振特性的影响规律．在国外有Harari［5］等人从Sanders－Koiter壳方程出发，研究两端平板的加筋圆柱壳在不同激励下圆柱壳辐射声功率的变化规律，指出在径向力激励下圆柱壳声辐射功率比两端平板大得多，但在轴向力激励下端板的声辐射不能忽略．文献［6］研究了水下无限长圆柱壳在受表面力激励时圆柱壳声辐射特性的影响．文献［7］利用修正的变分方法，在Reissner－Naghdi薄壳理论的基础上分析锥－柱－半球结合壳内加筋的数目、间距以及尺寸对模型各个部分声振特性的影响．在水下航行器壳体的不同位置安装有不同种类的动力装置（如螺旋桨、发动机），这些动力装置在工作时会产生不平衡力和力矩，然后通过基座作用传到壳体上，从而引起壳体振动产生强烈的结构噪声．为了探究不同类型激励对模型声振特性的影响，以及模型的结构参数对激励力引起声振特性的影响，本文建立两端分别带有锥形和半球形封盖的轴对称圆柱壳水中声辐射特性计算的有限元／边界元三维模型，讨论不同类型激励对模型的平均表面振速和辐射声功率的作用，以及相同类型激励下改变模型结构参数对模型的平均表面振速和辐射声功率的影响．进而为水中兵器减振降噪提供理论参考．1 基本理论1．1 耦合方式采用直接边界元流体模型和有限元结构模型的耦合方式进行计算，在物理坐标系中，系统的耦合方程为式中，KS，MS分别为结构的刚度矩阵和质量矩阵；C为几何耦合矩阵；A，B为直接边界元影响矩阵；FS，FA分别为结构模型的载荷向量和流体模型的载荷向量；u，p分别为节点的位移和声压．在模态坐标系中，系统的耦合方程为式中，aS为结构模态参与系数；带有符号“”的变量表示向模型机体表面的法向量投影．再由直接边界元法流体模型表面声压和速度与声场中声压关系式为可以得到声场中任一点的声压．1．2 声振特性的描述本文采用平均表面振速级和辐射声功率级来衡量模型的声振特性．其定义为上式中，基准平均振速和基准声功率为2 计算模型本文研究的模型结构如图1所示，轴向为y轴方向．模型的几何参数：圆柱壳段长L＝4m，直径D＝2m，半球壳段的半径a＝1m，圆锥壳段长b＝1m．材料的密度ρ＝7 800kg／m3，杨氏模量E＝2．06×1011 N／m2，泊松比σ＝0．3．流体的密度ρw＝1 000kg／m3，流体中的声速c0＝1 500m／s．计算中壳和肋都用Shell63单元建模［8］．图1 轴对称圆柱壳的几何模型Fig．1 Geometry of axisymmetric cylindrical shell3 计算结果及分析3．1 不同类型激励对模型声振特性的影响图2 不同激励方式的平均表面振速级Fig．2 Average surface velocity of different excitations取模型的壳体厚度h＝0．008m，分别对在1号节点（0，－3m，0）施加单位大小的轴向力矩激励和轴向力激励（图1中的左侧的黑点所示）；6号节点（1m，－2m，0）施加单位大小的径向力激励和周向力激励（图1中的右侧的黑点所示）的情况进行计算．由图2可见在模型受到不同类型的激励时，平均表面振速差别较大．即在低频段受轴向力矩激励、轴向力激励和径向力激励时平均表面振速相差不大；在高频段受轴向力矩激励时平均表面振速明显较高；无论是低频段还是高频段受周向力激励时平均表面振速相对较低．由图3可见在模型受到轴向力矩激励时辐射声功率较高，径向力和和轴向力激励时辐射声功率相当，周向力激励时辐射声功率较低．可见在模型受到不同类型的激励时，轴向力矩激励对模型声振特性的影响起主要作用．此结论与文献［2］的结论吻合．图3 不同激励方式的辐射声功率级Fig．3 Sound power radiation of different excitations3．2 相同类型激励时壳体厚度对模型声振特性的影响保持激励的类型相同，分别对模型壳体厚度为0．006、0．008、0．010m的情况进行了计算，计算结果及分析如下．3．2．1 轴向力矩和轴向力激励时壳体厚度对模型声振特性的影响模型在受轴向力和轴向力矩激励时，随着模型壳体厚度的增加，平均表面振速的峰值在所研究的频率范围内明显减小，共振峰数目减少且峰向高频方向移动，尤其在高频阶段较为明显；而模型的辐射声功率在低频段内变化不大，在高频段内辐射声功率峰值明显减小且峰向高频方向移动．以轴向力矩激励的计算结果为例，如图4和图5所示．图4 轴向力矩激励下不同厚度下的平均表面振速级Fig．4 Average surface velocity of different thickness under axial moment excitation图5 轴向力矩激励下不同厚度下的辐射声功率级Fig．5 Sound power radiation of different thickness under axial moment excitation3．2．2 径向力和周向力激励时壳体厚度对模型声振特性的影响模型在径向力和周向力激励时，随着模型壳体厚度的增加，平均表面振速峰值在所研究的频率范围内都略有减小，共振峰数目减少且峰向高频方向移动；辐射声功率的峰值也都在减小（个别峰值除外）且峰向高频方向移动．以周向力激励的计算结果为例，如图6和图7所示．图6 周向力激励下不同厚度下的平均表面振速级Fig．6 Average surface velocity of different thickness under circumferential force图7 周向力激励下不同厚度下的辐射声功率级Fig．7 Sound power radiation of different thickness under circumferential force总之，在相同类型的激励时增加模型的壳体厚度可以有效降低轴向力激励和轴向力矩激励的高频段、径向力激励和周向力激励的全频段模型的振动和声辐射，此结论与文献［3］和［4］的结论吻合．3．3 相同类型的激励时环肋数目对模型声振特性的影响保持激励的类型相同，壳体厚度h＝0．06m，环肋高度t＝0．05m，宽度d＝0．02m不变，分别在模型圆柱壳段内等距分布3和5根环肋的情况进行计算，计算结果及分析如下：图8 不同数目环肋的平均表面振速级Fig．8 Average surface velocity of different ring stiffeners number由于在所研究频率范围内，模型圆柱壳段内环肋数目的改变对模型声振特性的影响规律较为相似，所以就以轴向力激励时的计算结果为例，如图8和图9所示．由图8可见随着模型圆柱壳段内环肋数目的增加，平均表面振在激励力频率为0～100 Hz的范围内变化不大，而在激励力频率为100～400Hz内增加，特别是在高频阶段较为明显．由图9可见随着模型圆柱壳段内环肋数目的增加，辐射声功率在激励力频率为0～150Hz的范围内有所增加，在激励力频率为150～400Hz的范围内变化不大．图9 不同数目环肋的辐射声功率级Fig．9 Sound power radiation of different ring stiffeners number在相同类型的激励时增加模型圆柱壳段内环肋数目对模型声振特性的影响与激励频率的范围有关，此结论与文献［3］的结论吻合．4 结论本文以轴对称圆柱壳为研究对象，利用FEM／BEM方法进行分析计算，研究不同类型激励对模型声振特性的影响，以及相同类型激励时模型结构参数的改变对其声振特性的影响，并得出以下结论：在不同类型的激励方式中，轴向力矩激励对模型声振特性的影响起主要作用，其次是轴向力激励和径向力激励，而周向力激励时的影响最小；在相同类型的激励时增加模型的壳体厚度可以有效降低轴向力激励和轴向力矩激励的高频段，径向力激励和周向力激励的全频段模型的振动和声辐射；在相同类型激励时增加模型圆柱壳段内的环肋数目对模型声振特性的影响与激励频率的范围有关．为了减小水下航行器声振特性的影响，首先应该注意改善激励的类型，然后根据激励的类型和频率范围采用合适的措施才能达到减振降噪的效果．参考文献：［1］石焕文，肖静，仇菲菲，等．有限长圆柱壳水中辐射声场的解析法与有限元／边界元研究［J］．陕西师范大学学报：自然科学版．2010，38（4）：40－45．［2］陈炜，陈小宁，骆东平，等．不同激励力对环肋圆柱壳的声辐射的影响［J］．船舰科技技术，1999，21（2）：11－14．［3］张诗洋，曾革委，付爱华，等．螺旋桨激励下艇体纵向振动声辐射影响因素分析［C］∥第十三届船舶水下噪声学术讨论会论文集．南昌：船舶力学编辑部，2011：357－363．［4］石焕文，盛美平，孙进才，等．环筋对水下平底圆柱壳的声振特性影响［J］．应用声学，2007，26（4）：244－252．［5］Harari A，Sandman B E，Zaldonis J A．Analytical and experimental determination of the vibration and pressure radiation from a submerged stiffened cylindrical shell with two end plates［J］．Journal of the Acoustical Society of America，1994，95（6）：360－368．［6］Guo Y P．Radiation from cylindrical shells driven by on surface force ［J］．Journal of the Acoustical Society of A－merica，1994，95（4）：271－277．［7］Qu Yegao，Wu Shihao，Chen Yong，et al．Vibration analysis of ring －stiffened conical－cylindrical shells based on a modified variational approach［J］．International Journal of Mechanical Sciences．2013，69（3）：72－84．［8］易日．使用ANSYS 6．1进行结构力学分析［M］．北京：北京大学出版社，2002：305－343．。

双圆柱尾流致涡激振动的质量比效应及其机理在流体力学和结构力学中，涡激振动是一种常见的现象，它可以导致机械结构的疲劳和破坏。

双圆柱尾流致涡激振动作为一种典型的流固耦合问题，一直受到学术界的关注。

在实际应用中，双圆柱尾流致涡激振动的机理和影响因素对于结构的设计和安全性评估具有重要意义。

本文将从双圆柱尾流致涡激振动的质量比效应及其机理入手，对该问题进行分析和探讨。

1. 双圆柱尾流致涡激振动的基本特性双圆柱尾流致涡激振动是指在流体中，两个平行圆柱之间的流动会产生一个涡街，这个涡街会产生一个周期性的激振力，从而引起结构的振动。

双圆柱尾流致涡激振动具有以下基本特性：（1）流场特性：双圆柱尾流致涡激振动的流场特性主要包括速度场和压力场。

在两个平行圆柱之间的流动中，由于圆柱的存在，流体会产生一个高速区和一个低速区。

在高速区，流体速度较快，压力较低；在低速区，流体速度较慢，压力较高。

这种速度和压力的差异会导致流体产生一个涡街，从而引起结构的激振。

（2）涡街特性：双圆柱尾流致涡激振动的涡街特性主要包括涡街的频率和振幅。

涡街的频率是指涡街的周期性变化，通常用斯特劳哈尔数（Strouhal number）来表示。

涡街的振幅是指涡街引起的结构振动的幅度，通常用结构的振幅来表示。

（3）结构响应特性：双圆柱尾流致涡激振动的结构响应特性主要包括结构的振幅和结构的频率响应。

结构的振幅是指结构在涡街作用下的振动幅度，通常用位移或加速度来表示。

结构的频率响应是指结构在不同频率下的振动响应特性，通常用频率响应函数来表示。

2. 质量比效应对双圆柱尾流致涡激振动的影响质量比是指结构质量与流体质量之比。

在双圆柱尾流致涡激振动中，质量比是一个重要的影响因素。

质量比的大小会影响结构的振动特性和涡街的产生和演化过程。

具体来说，质量比的大小对双圆柱尾流致涡激振动的影响主要表现在以下几个方面：（1）涡街的产生和演化过程：质量比的大小会影响涡街的产生和演化过程。

附加水质量对船体总振动固有频率影响的研究的开题报告一、选题背景在船艇设计与运营中，水质量（包括海水、淡水、河水等）是影响船体总振动固有频率的一个重要因素。

船体总振动固有频率是指船体在没有外界激振下，自身固有振荡的频率，是衡量船体结构刚度和质量分布的一个重要参数。

如果船体总振动固有频率过低，则容易受到外界激振而发生共振，对船体结构和船员安全造成威胁。

因此，研究附加水质量对船体总振动固有频率的影响，具有重要的理论和实际意义。

二、研究目的本论文旨在研究不同水质量对船体总振动固有频率的影响规律，为船艇设计和运营提供理论指导。

具体研究目标如下：1. 建立船体总振动固有频率计算模型，并验证模型的有效性。

2. 分析不同水质量对船体总振动固有频率的影响规律及其机理。

3. 探讨如何通过改变船体结构和质量分布控制船体总振动固有频率的大小。

三、研究方法本论文的研究方法主要包括实验研究和数值模拟两个方面。

1. 实验研究：采用水池试验的方式，测量不同水质量下船体总振动固有频率的大小，利用这些实验数据建立回归模型，分析不同水质量对船体总振动固有频率的影响规律。

2. 数值模拟：利用ANSYS等软件，建立三维有限元模型，分析不同水质量下船体的动力学特性，包括振动模态、振动形态、振荡频率等，并通过数值模拟研究如何改变船体结构和质量分布，从而控制船体总振动固有频率的大小。

四、论文结构本论文主要包括以下几个部分：1. 绪论：介绍论文选题的背景、目的和研究方法。

2. 相关理论：介绍船体总振动固有频率、水质量对船艇振动的影响机理等相关理论。

3. 实验研究：介绍水池试验的具体操作方法、记录实验数据的过程，然后利用回归模型分析不同水质量对船体总振动固有频率的影响规律。

4. 数值模拟：建立三维有限元模型，通过数值模拟研究不同水质量下船体的动力学特性，并探讨如何改变船体结构和质量分布控制船体总振动固有频率的大小。

5. 结论与展望：总结研究成果，分析研究中存在的问题和不足，提出未来研究的展望和方向。

潜深对水下圆柱壳振动声辐射特性的影响水下圆柱壳振动声辐射特性是工程实践中非常重要的问题之一，也是水下结构振动研究的重点。

对于水下圆柱壳振动声辐射特性的研究，需要考虑多方面的因素，其中潜深是一个十分关键的因素。

潜深对水下圆柱壳振动声辐射特性的影响主要表现在以下几个方面。

首先，潜深会影响水下圆柱壳振动的自由面效应。

随着潜深的增加，水的流动会受到更大的阻碍，水下结构的动力学特性将发生变化，自由面效应将变得更加复杂。

这些变化将直接影响到水下圆柱壳振动的声辐射特性。

其次，潜深会影响水下圆柱壳振动的涡激振动效应。

潜深的变化会影响水下圆柱壳所受到的涡激振动力的大小和方向，从而对水下圆柱壳的振动产生直接的影响。

此种振动形态对于结构的疲劳破坏至关重要，因此工程实践中需要认真考虑潜深的影响。

再次，潜深会影响水下圆柱壳的流体-固体耦合效应。

随着潜深的变化，水的流动状态将发生变化，这将导致水下圆柱壳与周围流体的相互作用方式发生变化，其流体-固体耦合效应也将随之改变。

这种耦合效应将对结构的动态响应和振动的辐射产生重要的影响。

最后，潜深会影响水下圆柱壳的声学辐射特性。

随着潜深的变化，水的声学性质将改变，包括水的密度、速度和水中声波传播特性等。

这些变化将影响水下圆柱壳振动产生的水中声场分布特性以及声辐射的整体特性。

综上所述，潜深是影响水下圆柱壳振动声辐射特性的重要因素之一，具有重要的研究价值和工程应用意义。

在工程实践中，需要结合潜深以及其他影响因素，全面考虑水下圆柱壳振动声辐射特性的各个方面，提高结构的运用效率和安全性。

为了更加深入地了解潜深对水下圆柱壳振动声辐射特性的影响，研究者们进行了一系列的实验与数值模拟，从中获取了大量的实验数据和数值模拟结果。

以下是一些常用的数据指标以及对其的简单分析。

首先是水下圆柱壳振动导致的水中声场频谱。

通过声波传感器采集的实验数据显示，潜深的变化会直接影响水下圆柱壳振动导致的水中声场频谱，特别是在低频段上表现得更加明显。