小水線面雙體船尾部結構水下輻射噪聲特性及結構優(yōu)化分析

朱東華

(海軍裝備部艦艇局，北京 100841)

0 引 言

螺旋槳在船尾部不均勻流場中轉動時，葉片相對船體的位置變化會引起附近流場的壓力變化，稱之為脈動壓力[1–3]。螺旋槳脈動壓力作用在尾部結構上，會激起尾部結構振動進而產(chǎn)生水下輻射噪聲。目前，對常規(guī)單體船的螺旋槳脈動壓力計算與測量[4–7]，以及螺旋槳脈動壓力引起的水下輻射噪聲的預報[8]已有相關的研究成果。小水線面雙體船型的主要結構包括主船體、延伸至船尾的支柱體和潛體，尾部承受螺旋槳脈動壓力的區(qū)域多為狹窄的板架結構，與常規(guī)單體船相差較大。針對小水線面雙體船型螺旋槳脈動壓力激勵尾部結構引起水下輻射噪聲的相關研究仍開展較少。

本文通過試驗測量獲得作用在小水線面雙體船尾部區(qū)域的各階螺旋槳脈動壓力，并將其作為水下輻射噪聲計算的輸入載荷，采用聲學有限元方法預報各階脈動壓力激勵引起的水下輻射噪聲，分析小水線面雙槳脈動壓力相位差對各階水下輻射噪聲的影響。在此基礎上，對尾部結構進行聲學優(yōu)化分析，研究尾部結構參數(shù)對脈動壓力激勵引起的水下輻射噪聲的影響，找出降低水下輻射噪聲效費比最高的優(yōu)化措施。

1 小水線面雙體船螺旋槳脈動壓力激勵尾部結構引起的水下輻射噪聲計算方法

1.1 螺旋槳脈動壓力測量

為了獲得小水線面雙體船尾部結構振動計算所需的激勵載荷，開展螺旋槳模型脈動壓力測量試驗，試驗按模型槳和實槳的轉速空泡數(shù)相等進行。螺旋槳為5葉槳，如圖1所示。測量脈動壓力時，在槳模正上方艦尾外殼板上布置壓力傳感器，以槳軸中心線和螺旋槳輻射參考線交點的點為中心，布置5個壓力傳感器，如圖2所示。

表1為換算得到的實船脈動壓力幅值測試數(shù)據(jù)，可以看出高階脈動壓力幅值明顯低于一階脈動壓力幅值。同時由于沒有空泡發(fā)生，因此脈動壓力整體較低。

1.2 螺旋槳脈動壓力激勵尾部結構引起水下輻射噪聲

螺旋槳脈動壓力的激勵頻率為低頻，因此采用基于聲固耦合理論的聲學有限元法直接計算脈動壓力激勵尾部結構引起的水下輻射噪聲。

表1 螺旋槳脈動壓力試驗測試結果（Pa）Tab.1 Test results of propeller fluctuating pressure (Pa)

建立小水線面雙體船結構有限元模型與周圍流場聲學有限元模型，水域上表面賦予自由液面邊界條件，水域外包絡面上定義聲學無限單元以模擬無限水域，在船體結構與流域接觸面設置流固耦合方式連接。水域的長約為船長的1.5倍，水域的寬約為船寬的2倍。船體流場耦合計算模型如圖3所示。

一般情況下，螺旋槳脈動壓力作用范圍為：船長方向上，距離螺旋槳盤面向首、尾各1個螺旋槳直徑；船寬方向上從一舭部到另一舭部，當沒有明顯舭部時取設計水線以下部分。但是小水線面雙體船，其尾部結構造型與單體船差別很大，支柱體延伸至船尾，支柱體兩側垂直。因此每側螺旋槳上方直接受螺旋槳脈動壓力的區(qū)域為支柱底板，長度方向上向首、尾各1個螺旋槳直徑，寬度方向至支柱體兩側的狹窄板架結構。

將表1中螺旋槳脈動壓力視為均布載荷，同時施加均布壓力在左舷及右舷螺旋槳脈動壓力作用區(qū)域，如圖4所示。

采用上述計算模型，分別計算前5階螺旋槳脈動壓力激勵尾部結構引起的水下輻射噪聲，并通過施加復數(shù)形式的激勵力考慮雙槳相位差分別為0°，45°，90°和180°時各階脈動壓力引起的水下輻射聲壓級，計算結果如表2所示。

表2 雙槳脈動壓力激勵尾部振動引起的輻射聲壓級Tab.2 Radiated sound pressure induced by two propellers fluctuating pressure exciting stern structure

由表2可知，螺旋槳脈動壓力葉頻分量激勵尾部結構引起的輻射噪聲較大。不同相位下各階脈動壓力引起的輻射聲壓有一定差別。脈動壓力葉頻分量（5 Hz）與第5階脈動壓力分量（25 Hz）處隨著相位差的增加，輻射噪聲逐漸減小。第2階與第4階脈動壓力分量（10 Hz）處相位差0°，45°，90°的水下輻射噪聲相近，而相位差180°的水下輻射噪聲有所降低。第3階脈動壓力分量（15 Hz）處隨著相位差的增加，水下輻射噪聲隨之增大。由此，除了第3三階脈動壓力分量外，其余各階脈動壓力分量激勵尾部振動引起的水下輻射噪聲均是相位差180°時最小。

2 小水線面雙體船型脈動壓力作用區(qū)域結構聲學優(yōu)化分析

針對雙槳脈動壓力同相的情況分析小水線面雙體船型脈動壓力作用區(qū)域結構的參數(shù)對水下輻射噪聲的影響。小水線面雙體船左舷尾部結構如圖5所示，右舷與左舷對稱。

2.1 板厚影響分析

首先分析脈動壓力作用區(qū)域板厚對螺旋槳脈動壓力激勵水下輻射噪聲的影響。板厚的增減會改變區(qū)域重量與剛度，進而影響水下輻射噪聲。原始結構板厚為12 mm，現(xiàn)將板厚改變?yōu)?4 mm，16 mm與18 mm，計算前5階螺旋槳脈動壓力引起的水下輻射噪聲。計算結果如表3所示，可見板厚對脈動壓力引起的水下輻射噪聲有著較大的影響。當板厚由12 mm調整為14 mm時，各階脈動壓力分量引起的輻射聲壓級顯著減小。如脈動壓力葉頻分量引起的水下輻射噪聲減小6.2 dB，第3階減小7.9 dB。這是因為增加板厚增強了結構的剛度，從而減小了尾部結構的振動和輻射噪聲。當板厚繼續(xù)增加至16 mm與18 mm后，得到的水下輻射聲壓級和14 mm板的結果相差很小。

表3 板厚對脈動壓力激勵水下輻射噪聲的影響Tab.3 Effect of plate thickness on underwater radiation noise induced by fluctuating pressure

2.2 橫向加強筋尺寸的影響

為研究脈動壓力作用區(qū)域橫向加強筋尺寸對水下輻射噪聲的影響，將球扁鋼規(guī)格由14a（P140×7）調整為16a（P160×8），計算得到的水下輻射聲壓級如表4所示。可以看出，橫向加強筋尺寸對脈動壓力引起的水下輻射噪聲有著較為顯著的影響。加強筋規(guī)格由14a調整為16a時，尾部區(qū)域結構的剛度有所提升，各階脈動壓力引起的水下輻射聲壓級顯著減小，例如脈動壓力葉頻分量引起的水下輻射噪聲降低了6.3 dB，第3階降低了7.4 dB。

2.3 橫向加強筋間距的影響

為研究橫向加強筋間距對螺旋槳脈動壓力引起的水下輻射噪聲的影響規(guī)律，現(xiàn)將橫向加強筋間距由0.5 m調整為0.25 m，以增加橫向加強筋數(shù)量，計算得到的水下輻射聲壓級結果如表5所示?？梢钥闯?，橫向加強筋加密之后，各階脈動壓力分量引起的輻射噪聲都明顯降低，其中脈動壓力葉頻分量引起的水下輻射噪聲級降低了6.3 dB。

表4 橫向加強筋尺寸對脈動壓力激勵水下輻射噪聲的影響Tab.4 Effect of transverse stiffener size on underwater radiation noise induced by fluctuating pressure

表5 橫向加強筋間距對脈動壓力激勵水下輻射噪聲的影響Tab.5 Effect of transverse stiffener distance on underwater radiation noise induced by fluctuating pressure

3.4 縱向加強筋的影響

本文中小水線面雙體船尾部中部有一根縱桁，縱向無其他加強結構。為研究縱向加強筋對脈動壓力引起的水下輻射噪聲的影響，現(xiàn)于縱桁兩側各設置一縱向加強筋，距縱桁0.5 m，規(guī)格與橫向加強筋相同（球扁鋼14a，P140×7），計算得到的水下輻射聲壓級如表6所示。由計算結果可知，尾部脈動壓力作用區(qū)域采用縱筋加強后，各階脈動壓力分量引起的水下輻射噪聲均有所降低，效果與加密橫向加強筋基本相當。

2.5 不同結構優(yōu)化方式對比

通過上述研究可知，通過增加板厚，增大橫向構件尺寸，減小構件間隔均可以有效降低螺旋槳脈動壓力激勵尾部結構引起的水下輻射噪聲。不同的結構優(yōu)化方式帶來的結構重量增加也不相同，即降低相同量值的輻射聲壓級所需要增加的結構重量不同，此處定義效費比為單位重量降低的輻射聲壓級。分析不同結構優(yōu)化方式的效費比，以找出效費比最高的尾部結構優(yōu)化方式。

表6 縱向加強筋對脈動壓力激勵水下輻射噪聲的影響Tab.6 Effect of longitudinal stiffener on underwater radiation noise induced by fluctuating pressure

各結構優(yōu)化方式的效費比如表7所示。當板厚大于14 mm后，繼續(xù)增加板厚并沒有顯著降低輻射聲壓級，因此效費比減小。比較增加板厚（14 mm）、增加橫向加強筋尺寸、減小橫向加強筋間隔、增加縱向加強筋4種結構優(yōu)化方式，增加橫向構件尺寸的效費比最高，其次為加設縱向加強筋，而減小橫向加強筋間隔的方式效費比最低。第3階脈動壓力分量引起的水下輻射噪聲受到結構改變的影響最為明顯，其次為葉頻分量引起的水下輻射噪聲。增加板厚與橫向加強筋尺寸的結構優(yōu)化方式中，第2階脈動壓力分量引起的水下輻射噪聲受到的影響最小，而減小橫向加強筋間隔與增加縱向加強筋的結構優(yōu)化方式中，第5階脈動壓力引起的水下輻射噪聲受到的影響最小。

表7 不同結構優(yōu)化方式的效費比（dB/t）Tab.7 Cost effective ratio of different structural optimization methods

3 結 語

本文采用試驗結合數(shù)值計算的方式獲得小水線面雙體船螺旋槳脈動壓力激勵尾部結構引起的水下輻射噪聲。研究雙槳脈動壓力相位差對水下輻射噪聲的影響，分析尾部結構參數(shù)的改變對水下輻射噪聲的影響，找出了尾部結構效費比最高的聲學優(yōu)化措施。本文主要結論如下：

1）雙槳脈動壓力相位差對小水線面雙體船尾部結構振動引起的水下輻射噪聲由較為明顯的影響。除第3階脈動壓力分量外，其余各階脈動壓力分量激勵引起的水下輻射噪聲均在相位差為180°時取到最小值。

2）通過增加板厚，增大橫向構件尺寸，減小構件間隔均可以降低各階脈動壓力引起的水下輻射噪聲。其中，增加橫向加強筋尺寸的效費比最高，其次為增設縱向加強筋。