CN114313100B - 振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法。该方法包括：设计内部舱壁的数量、间距与实艇相同的耐压圆柱壳结构模型Ⅰ；将耐压圆柱壳结构模型Ⅰ中的舱壁的数量增加至Q个，且Q个舱壁等间距布置，得到耐压圆柱壳结构模型Ⅱ；构造舱壁间距随机布置的M个耐压圆柱壳结构模型Ⅲ；分别在M个耐压圆柱壳结构模型Ⅲ的端点施加激振源，得到每个耐压圆柱壳结构模型Ⅲ的振动衰减量，进而得到舱壁间距最优布置模型；将多余舱壁均使用大肋骨进行振动等效替换，即得到振动局域化的耐压艇体。本发明通过合理地布置耐压艇体的舱壁间距，将激振源的振动能量控制在激振源附近，降低激振力传递导致的艇体振动，实现艇体平稳运行。

Description

振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法

技术领域

本发明涉及潜器的振动传递技术领域，具体地指一种振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法。

背景技术

水下大型潜器上的一些典型噪声源，如尾部螺旋桨激振源产生的振动及噪音会让人感到不舒服，甚至有可能对艇体内的一些敏感仪器造成损坏。尾部螺旋桨的激振频率通常是在几十赫兹至上百赫兹的低频段。激振源产生的振动沿着舱体由靠近激振源的舱段向远离激振源的舱段传递，舱段壳板上的振动以低阶振动为主，且激振力频率越低，舱段壳板上的振动越明显。

现有潜器的典型结构是耐压圆柱壳结构，圆柱壳结构内的舱壁数量一般为6-8个，且舱壁无法进行随机布置设计。耐压圆柱壳一般采用耐压金属壳板及环形小肋骨组成，环形小肋骨间距通常在0.6～0.8米之间，此种排列方式通常只会对圆柱壳在高频段(频率通常在几百赫兹以上)且周向高阶振动产生影响，对几十赫兹至上百赫兹的低频段范围的振动影响不明显。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法，通过合理地布置耐压艇体的舱壁间距，使激振源的振动能量在沿着壳体向远离激振源的方向传播时迅速衰减，将激振源的振动能量控制在激振源附近，降低艇体振动，实现艇体平稳运行。

为实现上述目的，本发明研制出了一种振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法，特别之处在于，包括如下步骤：

步骤1)，设计内部舱壁数量及舱壁间距与实艇相同的耐压圆柱壳结构模型Ⅰ；

步骤2)，将所述耐压圆柱壳结构模型Ⅰ中的舱壁数量增加至Q个，且Q个舱壁等间距布置，得到耐压圆柱壳结构模型Ⅱ，Q+1为模型Ⅱ的舱体单元总数；

步骤3)，将所述耐压圆柱壳结构模型Ⅱ中的每个舱壁轴向位置进行随机布置，构造舱壁间距随机布置的M个耐压圆柱壳结构模型Ⅲ，M为自然数；

所述随机布置满足下列函数(a)和(b)，

其中，

C_P表示舱壁的偏离度，

Δx/2为舱壁间距的最大偏移量，

为舱壁间距的平均值，舱壁间距的平均值等于圆柱壳轴向长度除以舱体单元总数，

P(x_r)是概率密度函数，

r为第r号舱壁，

x_r为第r号舱壁的轴向具体位置；

步骤4)，分别在M个所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ的端点施加激振源，且激振源能够向各自所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ传递径向、单频激振力；

步骤5)，分别计算每个所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ中的靠近激振源舱体单元范围内的均方法向速度和远离激振源舱体单元范围内的均方法向速度，从而得到每个所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ的振动衰减量；

步骤6)，比较M个所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ的振动衰减量，其中振动衰减量最大的所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ即为振动局域化的艇体的舱壁间距最优布置模型；

步骤7)，将所述舱壁间距最优布置模型中的多余舱壁均使用大肋骨进行振动等效替换，即得到振动局域化的耐压艇体。

进一步地，步骤2)中，所述Q为实艇舱壁数量的3～4倍。

进一步地，步骤4)中，激振力频率范围为(C_f1，C_f2)，且C_f1、C_f2均小于100Hz。

进一步地，步骤5)中，所述振动衰减量通过下列公式(c)计算，

其中，

L是振动衰减量，

v_r ²是靠近激振源舱体单元范围内的均方法向速度，

v_s ²是远离激振源舱体单元范围内的均方法向速度。

更进一步地，所述v_r ²或v_s ²均通过下列公式(d)计算：

其中，

N为舱体单元中有限单元的总数，

︱v_i︱为舱体单元中第i个有限单元的形心处法向速度响应幅值，

S_i为舱体单元中第i个有限单元的面积，

Σ表示求和的意思，

表示舱体单元中所有有限单元的面积和。

进一步地，步骤7)中，所述大肋骨重量等于对应的振动等效替换的舱壁重量。

更进一步地，所述大肋骨为焊接在耐压圆柱壳壳内周边的环形强度钢。

更进一步地，所述环形强度钢的截面呈工字型或T型，所述工字型包括上部的环形耐压壳板、中部的腹板和下部的翼板；所述T型包括中部的腹板和下部的翼板。

更进一步地，所述腹板和所述翼板的几何尺寸满足下列公式(e)，

其中，

h_w是腹板的高度，单位cm，

δ是腹板的厚度，单位cm，

b_f是翼板的宽度，单位cm，

t_f是翼板的厚度，单位cm。

本发明的优点在于：

1、本方法通过增加耐压圆柱壳舱体内的舱壁数量，并对舱壁间距进行随机布置，促使每个舱体单元产生不规则反射，振动能量因不规则反射作用被控制在激振源附近区域，发生艇体振动局域化；

2、本方法将舱壁间距最优布置模型中的多余舱壁均使用大肋骨进行振动等效替换，保证了艇体内部设备布置所需的空间。

本发明振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法通过合理地布置耐压艇体的舱壁间距，使激振源的振动能量沿着壳体向远离激振源的方向传播时迅速衰减，将激振源的振动能量控制在激振源附近，降低艇体振动，实现艇体平稳运行。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的内部舱壁数量及舱壁间距与实艇相同的耐压圆柱壳结构模型Ⅰ；

图3是本发明的Q个舱壁等间距布置的耐压圆柱壳结构模型Ⅱ；

图4是本发明的M个耐压圆柱壳结构模型Ⅲ中的舱壁间距最优布置模型；

图5是本发明的用大肋骨替代图4中多余舱壁后的结构图；

图6是本发明的图2、图3、图4的振动衰减量；

图7是大肋骨的结构图；

图8是外径不同的艇体典型结构图；

图中：

舱壁1、大肋骨2、环形耐压壳板2-1、腹板2-2、翼板2-3、激振源3。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

如图1的流程所示，本振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法，包括如下步骤：

步骤1)，设计内部舱壁1数量及舱壁1间距与实艇相同的耐压圆柱壳结构模型Ⅰ；

步骤2)，将所述耐压圆柱壳结构模型Ⅰ中的舱壁1数量增加至Q个，且Q个舱壁1等间距布置，得到耐压圆柱壳结构模型Ⅱ，Q+1为模型Ⅱ的舱体单元总数；

步骤3)，将所述耐压圆柱壳结构模型Ⅱ中的每个舱壁1轴向位置进行随机布置，构造舱壁1间距随机布置的M个耐压圆柱壳结构模型Ⅲ，M为自然数；

所述随机布置满足下列函数(a)和(b)，

其中，

C_P表示舱壁的偏离度，

Δx/2为舱壁间距的最大偏移量，

为舱壁间距的平均值，舱壁间距的平均值等于圆柱壳轴向长度除以舱体单元总数，

P(x_r)是概率密度函数，

r为第r号舱壁，

x_r为第r号舱壁的轴向具体位置；

步骤4)，分别在M个所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ的端点施加激振源3，且激振源3能够向各自所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ传递径向、单频激振力；

步骤5)，分别计算每个所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ中的靠近激振源3舱体单元范围内的均方法向速度和远离激振源3舱体单元范围内的均方法向速度，从而得到每个所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ的振动衰减量；

步骤6)，比较M个所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ的振动衰减量，其中振动衰减量最大的所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ即为振动局域化的艇体的舱壁间距最优布置模型；

步骤7)，将所述舱壁间距最优布置模型中的多余舱壁1均使用大肋骨2进行振动等效替换，即得到振动局域化的耐压艇体。

上述步骤2)中，所述Q为实艇舱壁数量的3～4倍。

实施例1：

取一艘实艇的艇体结构为应用对象，该艇体外壳是直径相同的圆柱体，且直径为7.8米，圆柱体轴向长度为72米。

首先，构建内部舱壁1数量及舱壁1间距与该实艇均相同的耐压圆柱壳结构模型Ⅰ，如图2所示。图2中，舱壁1数量为5个，舱壁1呈不等间距布置，耐压圆柱壳结构模型Ⅰ的直径和轴长均与实艇相同。

再次，构建耐压圆柱壳结构模型Ⅱ，如图3所示。所述耐压圆柱壳结构模型Ⅱ中的舱壁1数量是耐压圆柱壳结构模型Ⅰ的3倍，为15个，且15个舱壁1等间距布置。

最后，构建M个耐压圆柱壳结构模型Ⅲ，其中一个模型Ⅲ，如图4所示。耐压圆柱壳结构模型Ⅲ是将耐压圆柱壳结构模型Ⅱ的15个舱壁位置进行随机布置得到的。

具体地，对于耐压圆柱壳结构模型Ⅲ，舱体单元总数为16，舱壁间距的平均值

等于耐压圆柱壳结构模型Ⅱ的舱壁间距，为4.5米。所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ的随机布置满足上述函数(a)和(b)，其中舱壁的偏离度C_P取值46％，舱壁间距的最大偏移量为2.07米，构造100个耐压圆柱壳结构模型Ⅲ，其中一个模型Ⅲ如图4所示。

上述步骤4)中，激振力频率范围为(C_f1，C_f2)且C_f1、C_f2均小于100Hz。

具体地，分别在100个耐压圆柱壳结构模型Ⅲ右端端点设置频率范围小于100Hz的激振源3。

上述步骤5)中，所述振动衰减量通过下列公式(c)计算，

其中，

L是振动衰减量，

v_r ²是靠近激振源舱体单元范围内的均方法向速度，

v_s ²是远离激振源舱体单元范围内的均方法向速度。

上述v_r ²或v_s ²通过下列公式(d)计算，

其中，

N为舱体单元中有限单元的总数，

︱v_i︱为舱体单元中第i个有限单元的形心处法向速度响应幅值，

S_i为舱体单元中第i个有限单元的面积，

Σ表示求和的意思，

表示舱体单元中所有有限单元的面积和。

上述公式(d)中，将耐压圆柱壳中的每个舱体单元离散成一个个小三角形或小四边形，这些小三角形或小四边形被称为有限单元，计算舱体单元中每个有限单元的振动，也就获得了对应的舱体单元的振动响应幅值。

具体地，分别计算100个耐压圆柱壳结构模型Ⅲ的振动衰减量L，舱体单元总数Q+1为16，v_r ²是从右数第1舱体单元范围内的均方法向速度，v_s ²是从左数第1舱体单元(即：从右数第16舱体单元)范围内的均方法向速度。100个耐压圆柱壳结构模型Ⅲ中的最大振动衰减量模型，如图4所示，即图4是舱体振动局域化的舱壁间距最优布置模型。

上述步骤7)中，所述大肋骨2重量等于对应的振动等效替换的舱壁重量。

具体地，将上述图4中从右至左，第1、3、5、7、8、9、11、13、14、15个舱壁用大肋骨2替代，得到如图5所示的舱体振动局域化的耐压艇体结构图。

上述大肋骨2为焊接在耐压圆柱壳壳内周边的环形强度钢。

所述环形强度钢的截面呈工字型或T型，所述工字型包括上部的环形耐压壳板2-1、中部的腹板2-2和下部的翼板2-3；所述T型包括中部的腹板2-2和下部的翼板2-3，如图6所示。

所述腹板2-2和所述翼板2-3的几何尺寸满足下列公式(e)，

其中，

h_w是腹板的高度，单位cm，腹板2-2的高度的变化范围为52～104cm，

δ是腹板的厚度，单位cm，

b_f是翼板的宽度，单位cm，

t_f是翼板的厚度，单位cm。

具体地，当腹板2-2的高度h_w等于79cm时，舱壁用大肋骨2替换后的振动衰减量L与替换前的振动衰减量相差小于5％，停止计算。

将上述耐压圆柱壳结构模型Ⅰ(图2)、耐压圆柱壳结构模型Ⅱ(图3)和振动局域化的艇体的舱壁间距最优布置模型(图5)的振动衰减量进行对比，如图7所示，从图上看出振动局域化的艇体的舱壁间距最优布置模型的振动衰减量最大。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于：该艇体外壳不是直径相同的圆柱体，艏艉是截头圆锥形，中部圆柱段的直径也不完全相同，如图8所示。

构建的耐压圆柱壳结构模型Ⅰ，采用下述方法处理：

中部，对于相邻圆柱段直径差别不到10％～15％的情况，不考虑两端圆柱壳直径差别，直径为较大圆柱壳的直径；

艏艉部，艏艉是截头圆锥形，圆柱壳代替截头圆锥，圆柱壳直径等于截头圆锥首尾直径平均值。

其余各处理步骤与实施例1相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)，设计内部舱壁(1)数量及舱壁(1)间距与实艇相同的耐压圆柱壳结构模型Ⅰ；

步骤2)，将所述耐压圆柱壳结构模型Ⅰ中的舱壁(1)数量增加至Q个，且Q个舱壁(1)等间距布置，得到耐压圆柱壳结构模型Ⅱ，Q+1为模型Ⅱ的舱体单元总数；

步骤3)，将所述耐压圆柱壳结构模型Ⅱ中的每个舱壁(1)轴向位置进行随机布置，构造舱壁(1)间距随机布置的M个耐压圆柱壳结构模型Ⅲ，M为自然数；

所述随机布置满足下列函数(a)和(b)，

其中，

C_P表示舱壁的偏离度，

Δx/2为舱壁间距的最大偏移量，

为舱壁间距的平均值，舱壁间距的平均值等于圆柱壳轴向长度除以舱体单元总数，

P(x_r)是概率密度函数，

r为第r号舱壁，

x_r为第r号舱壁的轴向具体位置；

步骤4)，分别在M个所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ的端点施加激振源(3)，且激振源(3)能够向各自所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ传递径向、单频激振力；

步骤5)，分别计算每个所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ中的靠近激振源(3)舱体单元范围内的均方法向速度和远离激振源(3)舱体单元范围内的均方法向速度，从而得到每个所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ的振动衰减量；

步骤6)，比较M个所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ的振动衰减量，其中振动衰减量最大的所述耐压圆柱壳结构模型Ⅲ即为振动局域化的艇体的舱壁间距最优布置模型；

步骤7)，将所述舱壁间距最优布置模型中的多余舱壁(1)均使用大肋骨(2)进行振动等效替换，即得到振动局域化的耐压艇体。

2.根据权利要求1所述的振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法，其特征在于：步骤2)中，所述Q为实艇舱壁(1)数量的3～4倍。

3.根据权利要求2所述的振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法，其特征在于：步骤4)中，激振力频率范围为(C_f1，C_f2)，且C_f1、C_f2均小于100Hz。

4.根据权利要求3所述的振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法，其特征在于：步骤5)中，所述振动衰减量通过下列公式(c)计算，

其中，

L是振动衰减量，

v_r ²是靠近激振源舱体单元范围内的均方法向速度，

v_s ²是远离激振源舱体单元范围内的均方法向速度。

5.根据权利要求4所述的振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法，其特征在于：所述v_r ²或v_s ²均通过下列公式(d)计算，

其中，

N为舱体单元中有限单元的总数，

︱v_i︱为舱体单元中第i个有限单元的形心处法向速度响应幅值，

S_i为舱体单元中第i个有限单元的面积，

Σ表示求和的意思，

表示舱体单元中所有有限单元的面积和。

6.根据权利要求1所述的振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法，其特征在于：步骤7)中，所述大肋骨(2)重量等于对应的振动等效替换的舱壁重量。

7.根据权利要求6所述的振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法，其特征在于：所述大肋骨(2)为焊接在耐压圆柱壳壳内周边的环形强度钢。

8.根据权利要求7所述的振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法，其特征在于：所述环形强度钢的截面呈工字型或T型，所述工字型包括上部的环形耐压壳板(2-1)、中部的腹板(2-2)和下部的翼板(2-3)；所述T型包括中部的腹板(2-2)和下部的翼板(2-3)。

9.根据权利要求8所述的振动局域化的耐压艇体的舱壁间距布置方法，其特征在于：所述腹板(2-2)和所述翼板(2-3)的几何尺寸满足下列公式(e)，

其中，

h_w是腹板的高度，单位cm，

δ是腹板的厚度，单位cm，

b_f是翼板的宽度，单位cm，

t_f是翼板的厚度，单位cm。

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