浸沒(méi)在流場(chǎng)中的雙殼結(jié)構(gòu)波動(dòng)特性

張 玲，吳宏悅，計(jì) 方，3

(1.海軍裝備部，北京 100841;2.中國(guó)艦船研究院，北京 100192;3.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001）

浸沒(méi)在流場(chǎng)中的雙殼結(jié)構(gòu)波動(dòng)特性

張 玲1，吳宏悅2，計(jì) 方2，3

(1.海軍裝備部，北京 100841;2.中國(guó)艦船研究院，北京 100192;3.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001）

以浸沒(méi)在流體聲介質(zhì)中的雙層圓柱殼為研究對(duì)象，給出了靜壓下雙殼流固耦合系統(tǒng)頻散方程，基于Muller-Newton法和圍線積分法分別開(kāi)展了實(shí)數(shù)域和復(fù)數(shù)域頻散方程的計(jì)算。探索了靜水壓力對(duì)雙殼頻散特性和輸入功率流的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，分析了不同周向模態(tài)下雙殼結(jié)構(gòu)波的傳遞性質(zhì)。結(jié)果表明:4.5 MPa靜水壓力降低了高階周向模態(tài)下低階波的傳播速度;在n=0時(shí)靜水壓力增大了輸入功率流的峰值;各種傳播波隨著無(wú)量綱頻率的增加表現(xiàn)為彎曲波、拉伸波和扭轉(zhuǎn)波等形式。

雙層圓柱殼;靜水壓力;頻散特性;輸入功率流;波動(dòng)特性

0 引言

圓柱殼在船舶、航空、石油、化工及其他工業(yè)中廣泛的應(yīng)用，雙殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)、噪聲以波的形式向遠(yuǎn)處傳播，其本質(zhì)是能量的傳播［1－3］。水下航行器以及一些高壓輸液管道本身受到流體靜壓力的作用，靜壓力會(huì)對(duì)雙殼振動(dòng)特性產(chǎn)生一定的影響［4］。因此，探索靜壓力對(duì)浸沒(méi)在流場(chǎng)中雙殼結(jié)構(gòu)波動(dòng)特性的影響，對(duì)于雙殼結(jié)構(gòu)的減振降噪具有一定的參考價(jià)值。

本文以浸沒(méi)在流體聲介質(zhì)中的雙層圓柱殼為研究對(duì)象，將靜水壓力對(duì)殼體產(chǎn)生的應(yīng)力以預(yù)應(yīng)力的方式計(jì)入到殼體振動(dòng)方程當(dāng)中，推導(dǎo)了靜壓下雙殼流固耦合系統(tǒng)頻散方程?；贛uller-Newton法和圍線積分法分別開(kāi)展了實(shí)數(shù)域和復(fù)數(shù)域頻散方程的計(jì)算，探索了靜水壓力對(duì)雙殼頻散特性的影響。接著分析雙殼結(jié)構(gòu)在外力強(qiáng)迫振動(dòng)下的輸入功率流，探索靜水壓力對(duì)輸入功率流的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，分析了不同周向模態(tài)下雙殼結(jié)構(gòu)波的傳遞性質(zhì)及方向。

1 靜壓下雙殼流固耦合系統(tǒng)頻散方程

實(shí)際船體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度是有限的，本文采用無(wú)限長(zhǎng)圓柱殼作為分析模型的依據(jù)如下:

1）船舶結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng)體，研究其動(dòng)力響應(yīng)可合理地將其簡(jiǎn)化為空心懸臂梁模型處理。

2）在較低頻率時(shí)，無(wú)限長(zhǎng)圓柱殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)約為有限長(zhǎng)殼體響應(yīng)的平均值;在環(huán)頻率以上二者響應(yīng)趨于一致。在統(tǒng)計(jì)能量分析中，計(jì)算模態(tài)密度、內(nèi)部耦合損耗因子以及外載荷輸入結(jié)構(gòu)的能量流時(shí)，都普遍地應(yīng)用這一結(jié)論。

本文做以下假設(shè):①振動(dòng)位移與半徑相比是小量，即微幅線性振動(dòng);② 滿(mǎn)足直法線假設(shè);③ 徑向應(yīng)力可忽略，各層間徑向位移相等。因此本章算法適用于圓柱殼環(huán)頻率以上且滿(mǎn)足平斷面假設(shè)的頻段。

考慮浸沒(méi)在流場(chǎng)中的無(wú)限長(zhǎng)薄殼，流體為理想流體。圓柱殼的坐標(biāo)系與周向模態(tài)數(shù)n的關(guān)系如圖1所示。其中u，v，w分別表示殼體中的軸向、周向和徑向位移。

圖1 圓柱殼坐標(biāo)系和周向模態(tài)數(shù)nFig.1 Coordinate system and circum ferentialmodal shapes

靜壓力引起的初始應(yīng)力包括周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。計(jì)及靜壓力，無(wú)限長(zhǎng)薄圓柱殼自由振動(dòng)的方程采用 Flügge 方程［5－6］:

圖2 雙層圓柱殼振動(dòng)波傳遞途徑Fig.2 Wave transmission path of double cylindrical shells

其中:L16F，L17F，L26F，L27F為流體與內(nèi)外殼體間的耦合項(xiàng)，L17F，L27F通過(guò)舷間環(huán)形流場(chǎng)將內(nèi)外殼體聯(lián)系在一起。

令|L|=0，即可得到靜水壓力下雙層圓柱殼頻散方程。

2 頻散方程算法驗(yàn)證

雙層圓柱殼的頻散方程實(shí)數(shù)采用Muller+Newton法進(jìn)行迭代求解。采用Newton法將Muller法線性化，以加快計(jì)算速度。軸向波數(shù)的實(shí)數(shù)解代表沿圓柱殼軸向的傳播波。在實(shí)數(shù)解的求解過(guò)程中可以采用二分法，Newton法或者M(jìn)uller法。二分法算法簡(jiǎn)單，且總是收斂，缺點(diǎn)是收斂太慢，且精度較差，一般用于為根求得一個(gè)較好的近似初值。Newton法擁有平方收斂階，而Muller法收斂階為1.840，可見(jiàn)二者都具有較快的收斂速度。然而，Newton法每步迭代需要計(jì)算1個(gè)函數(shù)值和1個(gè)導(dǎo)數(shù)值，而Muller法每步迭代僅需計(jì)算1個(gè)函數(shù)值，若按文獻(xiàn)［8］中給出的衡量迭代法優(yōu)劣的效能指數(shù)定義，Muller法的效能指數(shù)1.840高于Newton法的=1.414，因此在計(jì)算中Muller法應(yīng)是最優(yōu)的，但是Muller法的算法相對(duì)復(fù)雜，而且在求解過(guò)程中，Muller法不僅需要處理符號(hào)問(wèn)題，而且即使是在求解實(shí)根過(guò)程中，也可能會(huì)遇到復(fù)數(shù)的運(yùn)算。因此，根據(jù)文獻(xiàn) ［2］，這里采用“拋物線化——線性化”的思想，在使用Muller法(“拋物線化”）的基礎(chǔ)上，使用一次Newton迭代(“線性化”）得到非線性方程的實(shí)數(shù)根。如此一來(lái)，在編程時(shí)不需要處理符號(hào)問(wèn)題，而且在求實(shí)根時(shí)不再需要使用復(fù)數(shù)運(yùn)算。

下面是在相同精度要求下，求解頻散方程無(wú)量綱頻率Ω=0.1，無(wú)量綱波數(shù)λ=0.1附近根時(shí)的迭代情況。

由圖3可得，Muller-Newton法的收斂速度明顯快于二分法，且具有較好的精度控制能力。故這里進(jìn)行實(shí)波數(shù)求解時(shí)采用Muller-Newton法。

對(duì)于雙層圓柱殼頻散方程的復(fù)數(shù)解，采用圍線積分法進(jìn)行求解。其中的數(shù)值積分方式采用辛普森法，在保證精度的前提下，具有較高的計(jì)算速度。

3 不同靜壓下雙殼頻散特性分析

本節(jié)計(jì)算參數(shù)如下:結(jié)構(gòu)的軸向長(zhǎng)度L=2.55 m，耐壓殼肋距l(xiāng)=0.15 m，耐壓殼半徑R1=1.6 m，非耐壓殼厚度3 mm，非耐壓殼半徑R2=1.85 m，耐壓殼厚度為7 mm，托板厚度為3 mm，殼體、環(huán)肋材料相同，其彈性模量為E1=2.1e+11 N/m2，泊松比為μ1=0.28，密度為ρ1=7 800 kg/m3。

圖4給出了浸沒(méi)在流場(chǎng)中的雙殼結(jié)構(gòu)不同周向模態(tài)下復(fù)平面內(nèi)的頻散曲線。

圖4 不同周向模態(tài)下雙殼結(jié)構(gòu)復(fù)平面內(nèi)頻散曲線Fig.4 Frequency dispersion curve of cylindrical shell in complex plane under differentmodal shapes

浸沒(méi)在流場(chǎng)中的圓柱殼結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)波分成3類(lèi):傳播波 (實(shí)波數(shù)）、衰減駐波 (復(fù)波數(shù)）和近場(chǎng)波 (虛波數(shù)）。

對(duì)于傳播波而言，任意一階傳播波在起始頻率以不傳播能量，傳播波的個(gè)數(shù)隨頻率的升高而增多。低階周向模態(tài)的前幾階傳播波表現(xiàn)為2種位移的耦合波形態(tài)，起始頻率較高的傳播波和高階周向模態(tài)的傳播波基本上都是以彎曲波起始的。低階周向模態(tài)只存在一階衰減駐波，隨著周向模態(tài)數(shù)的增大，在低頻和高頻區(qū)都會(huì)出現(xiàn)兩階衰減駐波。各階周向模態(tài)的近場(chǎng)波在頻率較低時(shí)表現(xiàn)為無(wú)窮多階，隨著頻率增大逐個(gè)在傳播波的起始頻率處截止。

圖5給出了浸沒(méi)在流場(chǎng)中的雙殼結(jié)構(gòu)不同周向模態(tài)下雙層圓柱殼的頻散曲線。

圖5 不同周向模態(tài)下雙層圓柱殼的頻散曲線Fig.5 Frequency dispersion curve of double cylindrical shells under differentmodal shapes

從圖5可以看出:當(dāng)n=0時(shí)，s=1波與硬壁波導(dǎo)的簡(jiǎn)正波一致，而s=2波則與真空中圓柱殼的第一支傳播波對(duì)應(yīng)，且二者在較低頻率時(shí)接近重合。s＞1的各支傳播波在出現(xiàn)后不久會(huì)有一個(gè)線性增加部分，把這些先后出現(xiàn)的傳播波的線性增加部分合在一起看，其與真空中圓柱殼中高頻“純拉伸波”相對(duì)應(yīng)。當(dāng)n＞2時(shí)，傳播波出現(xiàn)截止頻率，隨著周向模態(tài)增加截止頻率亦增大，當(dāng)n=8時(shí)無(wú)量綱截止頻率約為1。

對(duì)浸沒(méi)在流場(chǎng)中的雙層圓柱殼頻散曲線分析表明，靜水壓力僅對(duì)高階周向模態(tài)下的s=1和s=2的傳播波有一定影響，它使第一支傳播波的波數(shù)減小，即使其傳播相速度增大。而在較低周向模態(tài)下，靜水壓力的影響可以忽略。

4 靜壓對(duì)雙殼輸入功率流的影響分析

下面接著分析雙殼結(jié)構(gòu)在外力強(qiáng)迫振動(dòng)下的輸入功率流，探索靜水壓力對(duì)輸入功率流的影響規(guī)律。

假設(shè)在圓柱殼截面x=0處作用一周向余弦線分布簡(jiǎn)諧載荷［9－10］

耦合系統(tǒng)在周向余弦線分布外載荷作用點(diǎn)x=0處的徑向位移w可由式(20）得到:

計(jì)算得到了浸沒(méi)在流場(chǎng)中雙層圓柱殼不同周向模態(tài)下的輸入功率流曲線 (見(jiàn)圖6），分析了靜水壓力對(duì)雙殼系統(tǒng)輸入功率流的影響。

圖6 不同靜壓下雙殼結(jié)構(gòu)的輸入功率流曲線Fig.6 Curve of input power of double cylindrical shells under hydrostatic pressure

靜水壓力對(duì)低階段周向模態(tài)下的輸入功率流無(wú)顯著影響，不同靜壓下的輸入功率流曲線呈現(xiàn)相同變化趨勢(shì)。在n=0時(shí)，靜水壓力一定程度地增大了輸入功率流的峰值，且靜壓越大此規(guī)律越明顯。

5 雙殼波傳遞特性

為更加清晰描述雙層圓柱殼波的傳遞性質(zhì)及方向，定義3個(gè)方向上位移分量的無(wú)量綱比值，以此說(shuō)明傳播波是以軸向，周向，還是以徑向運(yùn)動(dòng)為主。

取雙層圓柱殼的外殼為研究對(duì)象，定義特征向量:

圖7和圖8給出了不同周向模態(tài)下特征向量Φns2和Ψns2曲線。

圖7 不同周向模態(tài)下特征向量Φns2曲線Fig.7 Curve of characteristic vectorΦns2 of differentmodal shapes

圖8 不同周向模態(tài)下特征向量Ψns2曲線Fig.8 Curve of characteristic vectorΨns2 of differentmodal shapes

由圖7和圖8可看出:各種傳播波開(kāi)始時(shí)均為各方向振動(dòng)的耦合，但隨著無(wú)量綱頻率的增加，這些波也會(huì)逐漸分別以彎曲波、扭轉(zhuǎn)波和拉伸波等形式傳播。

詳細(xì)分析圖7可見(jiàn)，n=0時(shí)，s=2波始終以周向運(yùn)動(dòng)為主，其中s=1波和s=2波在低頻時(shí)以軸向運(yùn)動(dòng)為主過(guò)渡到高頻時(shí)以徑向運(yùn)動(dòng)為主，s=3波則除極低頻時(shí)以徑向運(yùn)動(dòng)為主外，始終以軸向運(yùn)動(dòng)為主。n=1時(shí)，s=1波始終以徑向運(yùn)動(dòng)為主，s=2波低頻以軸向、高頻以周向運(yùn)動(dòng)為主，s=3波則低頻以周向運(yùn)動(dòng)為主，高頻以軸向運(yùn)動(dòng)為主。

在高階周向模態(tài)下，環(huán)頻率對(duì)高階波的影響顯著減弱，s=1波傳播波的起始頻率甚至在環(huán)頻率以上，彎曲成分占主導(dǎo)地位，這一點(diǎn)與低階波不同。s=2波一開(kāi)始不是縱向伸縮波，而主要是扭轉(zhuǎn)成分的波，隨著頻率增大才開(kāi)始逐漸具有縱向伸縮性質(zhì)。對(duì)高階s=3波來(lái)講，一開(kāi)始具有縱向伸縮性質(zhì)，在之后的頻段內(nèi)扭轉(zhuǎn)成分相對(duì)伸縮成分變得重要，因而具有了扭轉(zhuǎn)波性質(zhì)。

綜上所述，當(dāng)n=0時(shí)，周向運(yùn)動(dòng)為0，軸向運(yùn)動(dòng)主要存在于低頻;當(dāng)n=1時(shí)，軸向和周向運(yùn)動(dòng)在低頻時(shí)較為明顯，高頻時(shí)運(yùn)動(dòng)較小;當(dāng)n=5和10時(shí)，隨著周向模態(tài)的增加，低頻時(shí)主要以周向運(yùn)動(dòng)為主，高頻時(shí)以軸向運(yùn)動(dòng)為主。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以浸沒(méi)在流體聲介質(zhì)中的雙層圓柱殼為研究對(duì)象，推導(dǎo)了靜壓下雙殼流固耦合系統(tǒng)頻散方程，探索了靜水壓力對(duì)雙殼頻散特性和輸入功率流的影響。在此基礎(chǔ)上，分析了不同周向模態(tài)下雙殼結(jié)構(gòu)波的傳遞性質(zhì)，主要結(jié)論如下:

1）雙殼4.5 MPa極限靜壓下對(duì)結(jié)構(gòu)頻散特性影響有限，靜水壓力一定程度上降低了高階周向模態(tài)下低階波的傳播速度;

2）靜水壓力對(duì)低階段周向模態(tài)下的輸入功率流無(wú)顯著影響。在n=0時(shí)，靜水壓力一定程度地增大了輸入功率流的峰值;

3）各種傳播波開(kāi)始時(shí)均為各方向振動(dòng)的耦合，隨著無(wú)量綱頻率的增加表現(xiàn)為彎曲波、拉伸波和扭轉(zhuǎn)波等形式。

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Fluctuation characteristics of double cylindrical shell submerged in flow field

ZHANG Ling1，WU Hong-yue2，JIFang2，3
(1.Department of Naval Armament，Beijing 100841，China;2.China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China;3.Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Taking double cylindrical shell submerged in sound intermediate as investigated subject，the dispersion equation of liquid-solid coup led double cylindrical shell under hydrostatic pressure is deduced.The calculation of dispersion equation in real number field and comp lex number field are carried out through Muller-Newton method and wedding integral method.The influences of hydrostatic pressure on its dispersion characteristics and input power flow are discussed.Furthermore，wave propagation characteristics of double cylindrical shell under different circum ferentialmodals.The result shows that the lower order wave velocity is reduced by 4.5 MPa hydrostatic pressure under higher order circum ferentialmodal，and the peak value of input power flow is enhanced at n=0.The waves are propagated through flexuralwave，longitudinalwave and tensionalwave with the growth of dimensionless frequency.

double cylindrical shell;hydrostatic pressure;dispersion characteristics;input power flow;fluctuation characteristics

U661.44

A

1672－7649(2013）03－0040－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.009

2013－01－04

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012M520713）

張玲(1965－），女，高級(jí)工程師，主要從事裝備管理。