艦艇動力裝置的運動仿真與聲學(xué)特性預(yù)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(biāo)。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(nèi)容。 擺盤發(fā)動機(jī)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(jī)構(gòu)為空間連桿機(jī)構(gòu)，具有許多傳統(tǒng)的平面曲柄連桿機(jī)構(gòu)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(jī)的研制工作基于傳統(tǒng)的解析方法，對

2、于擺盤機(jī)這類復(fù)雜的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)方案的確定，往往難以勝任，從而導(dǎo)致研制周期長，發(fā)動機(jī)性能的提高受到制約。采用仿真技術(shù)，通過虛擬樣機(jī)的設(shè)計，探討發(fā)動機(jī)在各種工況下的合理的結(jié)構(gòu)方案，已經(jīng)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(shù)化設(shè)計、運動仿真、振動與噪聲預(yù)報為研究內(nèi)容，通過建立擺盤動力裝置的虛擬樣機(jī)以及進(jìn)行發(fā)動機(jī)的運動學(xué)與動力學(xué)的仿真分析，研究不同結(jié)構(gòu)方案時的發(fā)動機(jī)的激勵特性，探索減小動力裝置振動的途徑；在此基礎(chǔ)上，采

3、用有限元和邊界元相結(jié)合的方法，研究艦艇的聲輻射特性，實現(xiàn)機(jī)械噪聲特性的預(yù)報。本論文的主要工作內(nèi)容和計算分析結(jié)果如下： 1) 建立擺盤發(fā)動機(jī)及其主要運動部件的三維實體模型，對發(fā)動機(jī)部件實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，得到多方案的模擬物理樣機(jī)。在參數(shù)化設(shè)計中，設(shè)定的可變參數(shù)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?jǐn)[盤的傾角和擺盤與氣缸體的中心距不變的情況下，當(dāng)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(jī)和推進(jìn)器等在內(nèi)的艦艇三維模型。 2) 利用參數(shù)化設(shè)計的結(jié)果，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的艦艇擺盤動力裝置方案進(jìn)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(xué)與動力學(xué)參數(shù)；建立擺盤動力裝置在隔振條件下的虛擬樣機(jī)，仿真得到發(fā)動機(jī)的運動特性以及通過隔振裝置對艦艇殼體結(jié)構(gòu)的激勵特性。這些結(jié)果為發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及估計艦艇的水下噪聲提供了依據(jù)。 通過仿真可知，雖然擺

5、盤發(fā)動機(jī)各部件的運動學(xué)和動力學(xué)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(jī)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(jié)果揭示了內(nèi)在的規(guī)律。 對擺盤發(fā)動機(jī)來說，增大氣缸分布圓直徑可以提高發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)功率的提高，但是會使活塞與連桿的機(jī)械負(fù)荷增大。因此，應(yīng)合理地增大氣缸分布圓的直徑以提高發(fā)動

6、機(jī)的功率。 3)基于艦艇擺盤動力裝置的參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)作為有限元模型的邊界條件進(jìn)行加載；在此基礎(chǔ)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(xué)計算的邊界條件，實現(xiàn)特定條件下的艦艇機(jī)械噪聲的預(yù)報。 通過艦艇結(jié)構(gòu)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(yuǎn)，傳遞率也就越小。艦艇結(jié)構(gòu)的聲輻射特性與振動結(jié)構(gòu)的形狀、模態(tài)振型和模態(tài)頻率有很大的關(guān)系。因此，在艦艇的降噪中，要針對結(jié)構(gòu)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(jī)技術(shù)，對擺盤動力裝置這樣一種復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)的研制成本，又能從全局上對擺盤發(fā)動機(jī)進(jìn)行多方案的評估和優(yōu)化，有利于縮短發(fā)動機(jī)的研制周期，