CN118182701A - 一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，包括水下航行器壳体、多个连接在水下航行器壳体内壁和外壁的环形加强筋；在内外壁环形加强筋两侧环向对称分布有多个单叶声学黑洞构件；在单叶声学黑洞构件之间环向分布有多个双叶声学黑洞构件；在各单叶声学黑洞构件和双叶声学黑洞构件下表面附有阻尼层；单叶声学黑洞构件上表面为沿一侧呈流线型渐缩面；双叶声学黑洞构件中间为台状凸起，两侧为对称呈流线型渐缩面。在壳体上连接多个环形加强筋可有效提高壳体在水下航行中的耐压强度，设置多个单叶和双叶声学黑洞构件，振动弯曲波能量集中到声学黑洞区域实现能量吸收和耗散，具备高效减振降噪性能优势。
Description
技术领域
本发明属于水下装备的振动噪声控制技术领域，具体为一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体。
背景技术
随着水下航行器动力性能的提高，振动噪声问题也逐渐凸显。水下航行器的振动噪声包括内部设备运行噪声、高速运行产生的水动力噪声以及操舵系统的振动辐射噪声。噪声通过水介质传播，利用水中传播的声波可以用于目标探测，另一方面自身噪声也易被敌方发现而暴露。因此有必要对水下声源的噪声辐射特性进行分析，进行水下航行器减振降噪设计。
薄壁圆柱壳体作为典型水下航行器外形结构，通常该类结构壳体壁较薄，轴向跨度大，因而水下航行器整体耐压强度和刚度不大。因此，为增强薄壁圆柱壳体耐压强度，在薄壁圆柱壳内外壁进行环形加强筋有助于提高航行器在水下静压航行中的稳定性。
针对水下航行器壳体振动噪声，通常利用阻尼材料的特殊性能，将振动机械能转化为其他形式的能量，使壳体结构恢复至受激前的形态。常见的有自由阻尼结构和被动约束阻尼结构等，但为了达到低频振动控制效果，阻尼结构往往很冗长，极大限制了工程应用。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，通过在水下航行器壳体内外壁连接多个环形加强筋，可有效提高航行器在水下航行中的耐压强度；在环形加强筋上连接多个单叶和双叶声学黑洞构件，可实现振动产生的弯曲波能量集中到单叶声学黑洞构件和双叶声学黑洞构件上；利用敷设在声学黑洞结构末端的阻尼层实现对弯曲波振动能量的吸收耗散，使水下航行器在中低频频段内具备高效减振降噪性能。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
根据本发明实施例提供的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，该壳体包括水下航行器壳体、多个连接在所述水下航行器壳体内壁和外壁的环形加强筋；
在内壁环形加强筋和外壁环形加强筋两侧环向对称分布有多个单叶声学黑洞构件；在单叶声学黑洞构件之间环向分布有多个双叶声学黑洞构件；
在各单叶声学黑洞构件和双叶声学黑洞构件下表面附有阻尼层；
所述单叶声学黑洞构件上表面为沿一侧呈流线型渐缩面；
所述双叶声学黑洞构件中间为台状凸起，两侧为对称呈流线型渐缩面。
作为优选，内壁环形加强筋和外壁环形加强筋分别分段交错刚性连接在水下航行器壳体的内外壁上。
作为优选，单叶声学黑洞构件反向对称连接在内壁环形加强筋和外壁环形加强筋两侧，沿内壁环形加强筋和外壁环形加强筋中心呈对称分布。
作为优选，单叶声学黑洞构件侧面通过螺栓连接于内壁环形加强筋和外壁环形加强筋两侧。
作为优选，双叶声学黑洞构件分别连接于相邻内壁环形加强筋之间和相邻外壁环形加强筋之间的壳体内壁面和内外壁面，分别沿内壁环形加强筋和外壁环形加强筋中心呈对称分布。
作为优选，双叶声学黑洞构件的台状凸起分别胶贴于水下航行器壳体内壁面和壳体外壁面。
作为优选，水下航行器壳体、内壁环形加强筋、外壁环形加强筋、单叶声学黑洞构件和双叶声学黑洞构件的材料为铝合金。
作为优选，阻尼层的材料为丁腈橡胶。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1.通过在环形加强筋上连接多个单叶声学黑洞构件和在相邻加强筋间的壳体内外壁面连接多个双叶声学黑洞构件，可实现当壳体发生振动时，弯曲波振动能量可以集中在单叶和双叶声学黑洞构件上，通过敷设在声学黑洞构件上的阻尼层消耗振动能量，达到减振降噪效果。试验结果表明，在0～10000Hz频率范围内壳体表面振动加速度平均下降了71.25％，实现了水下航行器减振降噪的高效控制。
2.通过在水下航行器壳体内外壁连接多个环形加强筋，可有效降低壳体结构因强度不足而发生的压缩屈服破坏和刚度不足引发的失稳破坏。对比在静载10MPa下有无环形加强筋壳体应力和变形，最大应力由原结构的569.73MPa降低为525.30MPa，且应力均匀分布，改进效果明显。最大变形由原结构的1.0921mm降低为0.94mm，且变形区域趋于平缓，可显著提高水下航行器在静载情况下的稳定性。
本发明基于声学黑洞原理的水下航行器壳体具有结构简单轻质、灵活调控和宽频减振等特点，因此控制效率更高、频率范围更广。该声学黑洞波动控制技术能够在船舰水下航行器中广泛应用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体结构图；
图2为本发明的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体结构半剖图；
图3(a)、(b)分别为本发明的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体的连接在水下航行器壳体内外壁的环形加强筋结构图，其中(a)为内壁环形加强筋结构图，(b)为外壁环形加强筋结构图；
图4(a)、(b)分别为本发明的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体的连接在环形加强筋上的单叶声学黑洞构件结构分布图，其中(a)为连接在内壁环形加强筋上的单叶声学黑洞构件结构分布图，(b)为连接在外壁环形加强筋上的单叶声学黑洞构件结构分布图；
图5为本发明的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体的连接在环形加强筋间的双叶声学黑洞构件结构分布图；
图6为本发明的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体的连接在环形加强筋上的单叶声学黑洞构件结构图；
图7为本发明的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体的连接在环形加强筋间的双叶声学黑洞构件结构图；
图8为本发明的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体的未连接和连接水下航行器壳体内外壁的环形加强筋在静载10MPa下壳体应力变化对比云图，其中(a)为未连接水下航行器壳体内外壁的环形加强筋壳体应力变化云图，(b)为连接水下航行器壳体内外壁的环形加强筋壳体应力变化云图；
图9为本发明的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体的未连接和连接水下航行器壳体内外壁的环形加强筋在静载10MPa下壳体变形对比云图，其中(a)为未连接水下航行器壳体内外壁的环形加强筋壳体变化云图，(b)为连接水下航行器壳体内外壁的环形加强筋壳体变化云图；
图10为本发明的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体的未连接单叶和双叶声学黑洞构件的水下航行器壳体在(a)特征频率为1966.4Hz、(b)3485.2Hz、(c)5010.4Hz和(d)6457.9Hz下的模态云图；
图11为本发明的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体进行壳体表面振动加速度大小测试激励点和拾振点位置分布图；
图12为本发明的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体在未连接声学黑洞构件、外壁连接声学黑洞构件和内外壁连接声学黑洞构件下频率范围是0～5000Hz的壳体表面振动加速度；
图13为本发明的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体在未连接声学黑洞构件、外壁连接声学黑洞构件和内外壁连接声学黑洞构件下频率范围是5000～10000Hz的壳体表面振动加速度。
附图中标记分别为：1为水下航行器壳体；2为内壁环形加强筋；3为外壁环形加强筋；4为单叶声学黑洞构件；4-1为单叶声学黑洞构件阻尼层；4-2为第一螺栓；5为双叶声学黑洞构件；5-1为双叶声学黑洞构件阻尼层；6为第二螺栓。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，其包括：水下航行器壳体1，内壁环形加强筋2，外壁环形加强筋3，单叶声学黑洞构件4、单叶声学黑洞构件阻尼层4-1、连接单叶声学黑洞构件和内外壁环形加强筋的第一螺栓4-2，双叶声学黑洞构件5、双叶声学黑洞阻尼层构件5-1，用于壳体间连接的第二螺栓6。
在水下航行器壳体内壁和外壁分别连接多个环向布置的内壁环形加强筋2和外壁环形加强筋3；在内壁环形加强筋2和外壁环形加强筋3两侧环向对称分布有多个单叶声学黑洞构件4，在单叶声学黑洞构件4之间环向分布有多个双叶声学黑洞构件5；在各单叶声学黑洞构件和双叶声学黑洞构件下表面附有阻尼层。
如图3(a)、图3(b)所示，内壁环形加强筋2和外壁环形加强筋3分别分段交错刚性连接在水下航行器壳体1的内外壁上，用于增强水下航行器壳体1的结构强度，同时用于连接单叶声学黑洞构件4。各段水下航行器壳体间通过第二螺栓6连接。
如图4(a)、图4(b)所示，单叶声学黑洞构件4反向对称连接在内壁环形加强筋2和外壁环形加强筋3两侧，沿内壁环形加强筋2和外壁环形加强筋3中心呈对称分布。
如图5所示，双叶声学黑洞构件4连接于相邻内壁环形加强筋2之间和相邻外壁环形加强筋3之间的壳体内壁面和外壁面，沿内壁环形加强筋2和外壁环形加强筋3中心呈对称分布。
如图6所示，单叶声学黑洞构件4包括一侧为沿幂函数曲线变化的流线型渐缩面，一侧为含有螺栓纹的平台，单叶声学黑洞构件4侧面通过第一螺栓4-2连接于内壁环形加强筋2和外壁环形加强筋3两侧。单叶声学黑洞构件4末端为敷设单叶声学黑洞构件阻尼层4-1。
如图7所示，双叶声学黑洞构件5包括中间均匀的台状凸起，两侧为对称沿幂函数曲线变化的流线型渐缩面，双叶声学黑洞构件5末端为敷设双叶声学黑洞构件阻尼层5-1。双叶声学黑洞构件5的台状凸起分别胶贴于水下航行器壳体1内壁面和壳体外壁面。
下面给出本发明一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体的一个具体实施例。
如图1、图6和图7所示，在本实施例中，水下航行器壳体1的外径为389mm，内径为377mm，壁厚12mm，内壁环形加强筋2外径与水下航行器壳体1内径相同为377mm，内径为369.5mm，径向厚度为7.5mm，外壁环形加强筋3外径为401mm，内径与水下航行器壳体1外径相同为389mm，径向厚度为12mm，内壁环形加强筋2和外壁环形加强筋3轴向厚度均为10mm，内壁环形加强筋2和外壁环形加强筋3各2个，等距分布在水下航行器壳体1内外壁面。
单叶声学黑洞构件4整体边长为130mm、宽度为10mm、厚度为15mm，其中平台边长为15mm，单叶声学黑洞区域在x方向上的变化量w(x)通过下式计算可得：
w(x)＝gx2+j 0≤x≤i
其中，g为单叶声学黑洞幂指数函数系数，取值1/1000，j为单叶声学黑洞区域的最小厚度，取值为0.4mm，i为单叶声学黑洞幂指数函数最大取值，取值为115mm。
则有，
单叶声学黑洞构件阻尼层4-1的边长为15mm、宽度为10mm、厚度为0.1mm，
双叶声学黑洞构件5整体边长为154mm、宽度为10mm、厚度为15mm，其中台状凸起边长为14mm，双叶声学黑洞区域是以台状凸起为对称中心呈对称分布，在x方向上的变化量h(x)通过下式计算可得：
h(x)＝fx2+t 0≤x≤v
其中，f为双叶声学黑洞幂指数函数系数，取值为1/500，t为双叶声学黑洞区域的最小厚度，取值为0.4mm，v为双叶声学黑洞幂指数函数最大取值，k＝80mm。
则有，
双叶声学黑洞构件阻尼层5-1的边长为15mm、宽度为10mm、厚度为0.1mm。
本实施例中单叶声学黑洞构件4反向对称连接分布在内外壁环形加强筋两侧，每侧呈环状均匀分布个数为8个，在水下航行器壳体1上总计64个。
本实施例中双叶声学黑洞构件4连接于相邻环形加强筋间的壳体内外壁面，每环列均匀分布个数为6个，在水下航行器壳体1上总计18个。
本实施例中的水下航行器壳体1、内壁环形加强筋2、外壁环形加强筋3、单叶声学黑洞构件4和双叶声学黑洞构件5的材料为7055铝合金，7055铝合金的密度为2830kg/m3，杨氏模量为2.1×1010Pa，泊松比为0.30。
本实施例中的单叶声学黑洞构件阻尼层4-1和双叶声学黑洞构件阻尼层5-1的材料为丁腈橡胶，丁腈橡胶的密度为1100kg/m3，杨氏模量为5×107Pa，泊松比为0.49，损耗因子为0.40。
本实施例中的水下航行器壳体1、内壁环形加强筋2、外壁环形加强筋3、单叶声学黑洞构件4和双叶声学黑洞构件5采用切削加工或线切割制备。
本实施例中的单叶声学黑洞构件4采用第一螺栓4-2分别与内外环形加强筋连接，双叶声学黑洞构件5采用胶粘分别与壳体内外壁面连接。
本实施例中的单叶声学黑洞构件阻尼层4-1和双叶声学黑洞构件阻尼层5-1的阻尼层丁腈橡胶采用胶粘连接。
本发明的工作原理为：通过在水下航行器壳体内外壁连接多个环形加强筋，可有效降低壳体结构因强度不足而发生的压缩屈服破坏和刚度不足引发的失稳破坏。当水下航行器壳体发生振动产生弯曲波时，弯曲波传递到单叶和双叶声学黑洞构件上，随着厚度逐渐减小，弹性波积累相位逐渐变大，波速逐渐减小，当弹性波传递到单叶和双叶声学黑洞构件边缘厚度最薄处时，弯曲波累积相位达到最大，等效波速减小至最小，从而利用敷贴在单叶和双叶声学黑洞构件上的阻尼层实现对水下航行器壳体的减振降噪控制。
通过Ansys2021有限元仿真软件建立仿真模型，进行有无内外壁环形加强筋下的水下航行器壳体强度分析。
为保证静载力施加效果一致，将水下航行器壳体连接外壁环形加强筋施加蒙皮处理。首先对壳体进行网格划分采用4面体网格SOLID187，单元尺寸5mm，单元数量为726022，节点数为1146375，局部采取网格加密确保计算结果准确可靠，壳体外壁面静压取10MPa，进行强度分析。
如图8所示为在静压10MPa下壳体应力云图对比，排除应力奇异现象，无内外壁环形加强筋下壳体的最大应力为569.73MPa，连接内外壁环形加强筋下壳体的最大应力降低为525.30MPa，且应力均匀分布，改进效果明显。在静压10MPa下壳体变形云图如图9所示，最大变形由原结构的1.0921mm降低为0.9400mm，且变形区域趋于平缓，显著提高产品在静载情况下的稳定性。结果表明，在水下航行器壳体1中内外壁进行环形加强筋轴向等间距布置，提高了第Ⅱ类屈曲临界应力和第Ⅲ类屈曲临界应力，进一步提高壳体结构的稳定性和耐压性。
通过Comsol Mutiphysics 6.1有限元仿真软件中的固体力学模块建立仿真模型，计算未连接单叶和双叶声学黑洞构件的水下航行器壳体位移模态变化确定单叶和双叶声学黑洞构件的安装位置。采用实验测试对比在未连接声学黑洞构件、外壁连接声学黑洞构件和内外壁连接声学黑洞构件下的壳体表面振动加速度大小。
如图10所示，未连接单叶和双叶声学黑洞构件的水下航行器壳体位移模态计算结果表明，壳体振动主要产生在环形加强筋上，特别是在特征频率为1966.4Hz、3485.2Hz、5010.4Hz和6457.9Hz时位移模态变化最为明显。因此，将单叶和双叶声学黑洞构件连接在内外壁环形加强筋上将具有显著减振效果。
如图11所示，在水下航行器壳体结构中，激励源大小为1N，方向垂直向上，选取测点A为激励点，拾取壳体内壁点B为拾振源，分别计算在未连接声学黑洞构件、外壁连接声学黑洞构件和内外壁连接声学黑洞构件条件下壳体表面振动加速度大小以评估减振性能。
如图12和图13所示，实线表示本实施例中在未连接声学黑洞构件条件下，水下航行器壳体表面在0～5000Hz和5000～10000Hz频率范围内的振动加速度大小。虚线表示本实施例中在外壁连接声学黑洞构件条件下，水下航行器壳体表面在0～5000Hz和5000～10000Hz频率范围内的振动加速度大小。点划线表示本实施例中在内外壁连接声学黑洞构件条件下，水下航行器壳体表面在0～5000Hz和5000～10000Hz频率范围内的振动加速度大小。在本实施例中可以很明显看出，相较于未连接声学黑洞构件，在内外壁连接声学黑洞构件条件下，在0～5000Hz频段内，振动加速度平均下降了67.1％，在1090Hz处的最大峰值由3.4m/s2降至0.311m/s2，下降了90.9％。在5000～10000Hz频段内，振动加速度平均下降了75.4％，在1090Hz处的最大峰值由0.406m/s2降至0.0317m/s2，下降了92.2％。比较在外壁连接声学黑洞构件和在内外壁连接声学黑洞构件条件下水下航行器壳体表面振动加速度大小，发现当在内外壁连接声学黑洞构件时，水下航行器减振降噪效果更显著，其中在0～5000Hz频段内的振动加速度平均下降了28.6％，在1090Hz出的最大峰值由1.05m/s2降至0.414m/s2，下降了60.6％。在5000～10000Hz频段内，拾振点的振动加速度平均下降了51.5％，在1090Hz出的最大峰值由0.286m/s2降至0.014m/s2，下降了95.1％。
本发明提供的一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，通过在水下航行器壳体内外壁连接多个环形加强筋，壳体最大应力由原结构的569.73MPa降低为525.30MPa，最大变形由原结构的1.0921mm降低为0.94mm，可有效提高航行器在水下航行中的耐压强度。在环形加强筋上连接多个单叶声学黑洞构件和在环形加强筋间连接多个双叶声学黑洞构件可实现振动弯曲波能量集中到声学黑洞区域实现能量吸收和耗散。在0～10000Hz范围内，壳体表面的振动加速度平均显著下降达71.25％，具备高效减振降噪性能优势，在水下航行器减振降噪和声隐身设计方面具有广阔的应用前景。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，其特征在于，包括水下航行器壳体、多个连接在所述水下航行器壳体内壁和外壁的环形加强筋；
在所述内壁环形加强筋和外壁环形加强筋两侧环向对称分布有多个单叶声学黑洞构件；在所述单叶声学黑洞构件之间环向分布有多个双叶声学黑洞构件；
在各单叶声学黑洞构件和双叶声学黑洞构件下表面附有阻尼层；
所述单叶声学黑洞构件上表面为沿一侧呈流线型渐缩面；
所述双叶声学黑洞构件中间为台状凸起，两侧为对称呈流线型渐缩面。
2.根据权利要求1所述的基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，其特征在于，内壁环形加强筋和外壁环形加强筋分别分段交错刚性连接在水下航行器壳体的内外壁上。
3.根据权利要求1所述的基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，其特征在于，单叶声学黑洞构件反向对称连接在内壁环形加强筋和外壁环形加强筋两侧，沿内壁环形加强筋和外壁环形加强筋中心呈对称分布。
4.根据权利要求1所述的基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，其特征在于，单叶声学黑洞构件侧面通过螺栓连接于内壁环形加强筋和外壁环形加强筋两侧。
5.根据权利要求1所述的基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，其特征在于，双叶声学黑洞构件分别连接于相邻内壁环形加强筋之间和相邻外壁环形加强筋之间的壳体内壁面和外壁面，分别沿内壁环形加强筋和外壁环形加强筋中心呈对称分布。
6.根据权利要求1所述的基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，其特征在于，双叶声学黑洞构件的台状凸起分别胶贴于水下航行器壳体内壁面和壳体外壁面。
7.根据权利要求1所述的基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，其特征在于，单叶声学黑洞构件在沿一端为起点的流线型渐缩面x方向上的变化量w(x)通过下式计算：
w(x)＝gx2+j 0≤x≤i
其中，g为单叶声学黑洞幂指数函数系数，j为单叶声学黑洞区域的最小厚度，i为单叶声学黑洞幂指数函数最大取值。
8.根据权利要求1所述的基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，其特征在于，双叶声学黑洞构件在沿台状凸起为起点的流线型渐缩面x方向上的变化量h(x)通过下式计算：
h(x)＝fx2+t 0≤x≤v
其中，f为双叶声学黑洞幂指数函数系数，l为双叶声学黑洞区域的最小厚度，v为双叶声学黑洞幂指数函数最大取值。
9.根据权利要求1所述的基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，其特征在于，水下航行器壳体、内壁环形加强筋、外壁环形加强筋、单叶声学黑洞构件和双叶声学黑洞构件的材料为铝合金。
10.根据权利要求1所述的基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体，其特征在于，阻尼层的材料为丁腈橡胶。
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|---|---|---|---|
| CN202410463938.0A CN118182701A (zh) | 2024-04-17 | 2024-04-17 | 一种基于声学黑洞原理的耐压水下航行器壳体 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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| CN118182701A true CN118182701A (zh) | 2024-06-14 |
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