水下航行器推進器-軸系-殼體系統聲振特性研究

楊忠超，樓京俊，孫 炯，楊慶超

(1. 海軍工程大學 兵器工程系，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學 科研部，湖北 武漢 430033；3. 海軍工程大學 船舶振動噪聲國家重點實驗室，湖北 武漢 430033)

水下航行器推進器-軸系-殼體系統聲振特性研究

楊忠超1，樓京俊2,3，孫 炯2，楊慶超2,3

(1. 海軍工程大學 兵器工程系，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學 科研部，湖北 武漢 430033；3. 海軍工程大學 船舶振動噪聲國家重點實驗室，湖北 武漢 430033)

本文針對尺度相對較小的水下航行器，建立了推進器-軸系-殼體系統動力學模型。運用三維聲彈性理論和三維水彈性聲學分析軟件，計算了典型激勵力作用下系統的振動特性，得到了推進器-軸系-殼體系統在螺旋槳和軸上縱向和橫向非定常單位激勵力作用下的聲輻射規律。

水下航行器；推進器-軸系-殼體；振動；聲輻射

0 引 言

水下航行器是世界各國海軍均爭相發展的武器裝備，在水聲探測技術日益完善、水下對抗日趨激烈的形勢下，安靜型水下航行器已成為各國海軍追逐的目標[1]。水下航行器尾部的主要結構一般為推進器、推進軸系與殼體的組合。理論計算及實測都表明水下航行器尾部殼體的振動在多數情況下高于其他艙段。因此開展水下航行器推進器-軸系-殼體耦合系統聲振問題研究具有重要意義。

目前國內主要針對潛艇開展了大量槳-軸-艇體結構耦合振動的相關研究。曹貽鵬[2]與張文平[3]建立了帶有推進軸系的潛艇尾部有限元模型，用有限元/邊界元的分析方法研究了軸系縱振對艇體尾部結構水下聲輻射特性的影響，并分析了螺旋槳激勵力的傳遞路徑，提出縱振減振的幾種控制措施。陳發祥等[4]分析了螺旋槳激勵下軸系-艇體耦合系統的低頻聲輻射特性。鄒明松[5–7]利用三維水彈性力學理論，采用計及自由液面效應的理想可壓流體Green函數，構建了船舶三維聲彈性理論，并在Abaqus軟件的基礎上開發了三維水彈性聲學分析軟件Thafts-acoustic。該軟件已經應用于多型水面、水下船舶、潛艇的聲學設計、聲學性能評估以及振動噪聲機理探索與分析，并通過正確性與實用性系列試驗考核驗證。吳仕昊[8]采用有限元/邊界元法對帶有復雜軸系子系統的槳-軸-艇耦合結構進行仿真分析。研究了螺旋槳激勵力經軸系激勵艇體所引起的艇體振動聲輻射特性。對于魚雷、無人潛航器等尺度相對小的水下航行器，與潛艇、船舶等相比，在結構、尺寸、振源特性、振動與聲輻射關心頻段等均存在較大差異，在推進器-軸系-殼體系統聲振問題方面，一些聲振規律并不相同，而國內針對該類水下航行器尚缺乏直接針對性的研究工作。

因此本文主要針對魚雷、無人潛航器等尺度相對較小的水下航行器，建立了典型推進器-軸系-殼體整體結構振動與聲輻射分析模型，運用三維聲彈性理論和三維水彈性聲學分析軟件Thafts-acoustic計算分析了推進器-軸系-殼體系統在螺旋槳等典型激勵力作用下的振動與聲輻射規律。

1 水中結構三維聲彈性理論

水中結構在內外激勵下做微幅振動和變形假定條件下，可將連續結構處理成具有有限個自由度離散的系統（采用有限元等數值方法得到），其動力學方程可表示為：

采用模態疊加法求解結構系統的動態響應，離散系統節點位移可以表示為：

假設彈性結構體周圍為均勻可壓、無粘的理想聲介質，以及由結構振動誘導的聲波場都是微幅線性的。在此假設下，總的流場速度勢可表示為各階聲波輻射速度勢的線性疊加：

每一階干模態振型的流固耦合濕表面邊界條件：

式中：ur，vr，wr為第r階干模態位移；為流固濕表面單位法向量。

與自由液面邊界條件對應的Green函數為：

針對各階干模態得到的對應的簡單源邊界積分方程：

流場中的輻射波聲壓為：

振動加速度級的計算公式如下：

場點聲壓級的計算公式如下：

由輻射聲功率換算聲源級的公式為：

對于單位力掃頻激勵的情況，式（9）和式（10）中的振動加速度、聲壓均取有效值。

2 推進器-軸系-殼體系統振動與聲輻射分析模型

2.1 推進器-軸系結構

典型的水下航行器推進軸系結構一般分2段，花鍵軸和尾軸。靠近發動機或電動機一端的花鍵軸通過彈性聯軸器與動力輸出軸相連，花鍵軸后段通過花鍵與尾軸相連，尾軸后端與推進器轉子相連。這種短軸系在徑向上一般有2處軸承支撐。前軸承通常用滾動軸承支撐在隔板上，后軸承通常為滑動軸承，推力軸承采用尾置式，推進器轉子產生的推力通過推力軸承傳遞到尾部殼體[11]。簡化的推進器-軸系結構如圖1所示。

2.2 推進器-軸系-殼體系統模型

參照水下航行器基本的推進器-軸系結構和殼體結構在Abaqus中建立推進器-軸系-殼體系統模型。對推進器-軸系結構，花鍵軸前端與動力輸出軸相連，這里只保留了花鍵軸及尾軸部分，將動力輸出軸對花鍵軸前端的支撐作用等效為與2個水平和垂向的彈簧單元連接。花鍵采用等效軸段法處理，軸系采用1D梁單元模擬。將軸承與軸系的連接簡化為彈簧彈性支撐，由于支撐軸承對軸系主要起到水平和垂向約束，所以將前支撐軸承模擬為水平和垂向彈簧，將尾后部支撐軸承與推力軸承對軸系的共同作用簡化為水平、垂向和縱向的彈簧連接。螺旋槳選取的是5葉三維彈性槳, 用3D實體單元模擬，在螺旋槳槳轂內表面與軸建立約束關系。建立的推進器-軸系結構模型如圖2所示。

水下航行器通常為艙段結構，艙段之間為隔板，且殼體內部布置有環肋。不考慮內部質量的影響，在建立的推進器-軸系結構模型基礎上，增加分艙段、含隔板和環肋的殼體結構。將軸系模型中簡化軸承的彈簧一端與軸系在相應的軸承位置處相連，另一端與殼體結構在軸承相應位置處連接，模型的連接如圖3所示。

建立完成的完整的推進器-軸系-殼體耦合系統模型如圖4所示。為利用三維水彈性聲學分析軟件，還需建立殼體結構與流體接觸的濕表面，以及螺旋槳與流體接觸的濕表面。

3 推進器-軸系-殼體系統振動與聲輻射特性分析

3.1 推進器-軸系-殼體系統振動特性分析

推進器-軸系-殼體系統通過軸系傳遞的主要激勵力包括來自發動機的激勵力和推進器的激勵力。以花鍵軸前端橫向激勵、花鍵軸前端縱向激勵、螺旋槳橫向激勵、螺旋槳縱向激勵等4種典型激勵工況為例，研究分析推進器-軸系-殼體系統的振動特性。在花鍵軸前端處施加橫向非定常單位激勵力與縱向非定常單位激勵力，模擬來自發動機的激勵，在三維彈性槳槳葉0.7R處施加橫向非定常單位激勵力與縱向非定常單位激勵力，模擬推進器的激勵力，激勵頻率均為1～600 Hz。激勵力施加位置如圖5所示。

計算分析4種激勵工況下在尾軸承和前軸承與殼體連接位置處的振動加速度響應，如圖6所示。

由圖6可以看出：

1）不論是來自螺旋槳，還是來自花鍵軸前端，在縱向非定常激勵力作用下，尾軸承、前軸承與殼體連接處振動加速度響應曲線趨勢一致，振動響應效果基本相同，但前軸承處振動加速度級略大。

2）螺旋槳橫向激勵力作用下，1～100 Hz的低頻段內，在幾個峰值頻率處尾軸承處振動加速度響應均高于前軸承；100～300 Hz頻段內，前軸承處的振動加速度響應整體高于尾軸承處；大于300 Hz, 尾軸承處的振動在幾個峰值頻率處，振動加速度響應均明顯高于前軸承。推進器-軸系-殼體系統受花鍵軸前端橫向非定常單位激勵力的作用規律與之類似。

對比分析螺旋槳非定常單位激勵力作用下在前軸承、尾軸承與殼體連接處的振動響應，結果如圖7所示。

由圖7可以看出，1～100 Hz低頻段內，前軸承和尾軸承處受螺旋槳橫向單位激勵力作用產生的振動加速度響應均明顯高于螺旋槳縱向單位激勵力作用下的振動加速度響應；在140～440 Hz頻段內，前軸承和尾軸承處受螺旋槳縱向單位激勵力作用產生的振動響應明顯高于橫向單位激勵力作用。

3.2 推進器-軸系-殼體系統聲輻射特性分析

采用建立的推進器-軸系-殼體系統模型和三維聲彈性計算方法，計算3.1節4種激勵工況下推進器-軸系-殼體耦合結構聲輻射傳遞函數，結果如圖8所示。

圖8給出了螺旋槳單位橫向力、縱向力以及推進軸上單位橫向力、縱向力激勵下耦合結構的聲輻射傳遞函數對比曲線。從圖中可以看出：

1）在70 Hz以下的低頻段以及140～500 Hz頻段內螺旋槳縱向非定常單位激勵力作用下耦合結構的聲輻射明顯大于橫向激勵力作用下的聲輻射，這是由于耦合結構的縱向振動以及縱向模態輻射效率高造成的；在70～140 Hz頻段內螺旋槳橫向非定常單位激勵力作用下耦合結構的聲輻射明顯大于縱向激勵力下的聲輻射，這是由于耦合結構的彎曲振動引起的。

2）在小于300 Hz的頻段內，耦合結構受螺旋槳縱向非定常單位激勵力與受軸上縱向非定常單位激勵力作用引起的聲輻射效果基本相同，隨著激勵頻率的提高，聲輻射傳遞函數曲線趨勢仍然一致，但螺旋槳上單位縱向力激勵高于軸上單位縱向力激勵引起的聲輻射。

3）在小于250 Hz的頻段內，耦合結構受螺旋槳上橫向非定常單位激勵力引起的聲輻射明顯大于受軸上橫向非定常單位激勵力引起的聲輻射，在高于250 Hz的頻段內，耦合結構受軸上橫向非定常單位激勵力引起的聲輻射起伏較大，在峰值頻率處明顯大于受螺旋槳上橫向非定常單位激勵力引起的聲輻射。

3.3 典型激勵工況振動聲輻射聲壓指向性分析

利用三維聲彈性計算方法計算4種激勵工況下聲輻射峰值頻率處的輻射聲壓云圖，結果如圖9所示。由此可以分析耦合結構橫向激勵和縱向激勵作用下水下聲輻射亮點區域。

由圖9可以看出，聲輻射峰值頻率處耦合結構受螺旋槳縱向激勵時輻射聲壓主要集中在在頭部和尾部的錐殼部分，受螺旋槳橫向激勵時輻射面在殼體兩側。在峰值頻率處，受螺旋槳橫向激勵和縱向激勵時都會導致頭部有較強的輻射聲壓，說明這類水下航行器在受到尾部橫向和縱向激勵時，對頭部均會有很大的影響，因此在對水下航行器的頭部聲學換能器進行聲學設計時應給予重視。

4 結 語

本文針對尺度相對較小的水下航行器，運用三維聲彈性理論，分析了推進器-軸系-殼體系統的振動與聲輻射特性，主要得出以下結論：

1）不論是來自螺旋槳，還是來自花鍵軸前端軸上，在縱向非定常激勵力作用下，尾軸承、前軸承與殼體連接處振動加速度響應曲線趨勢均一致，振動響應效果基本相同，但前軸承處振動加速度級略大。

2）1～100Hz低頻段內，前軸承和尾軸承處受螺旋槳橫向單位激勵力作用產生的振動加速度響應均明顯高于螺旋槳縱向單位激勵力作用下的振動加速度響應；在140～440 Hz頻段內，前軸承和尾軸承處受螺旋槳縱向單位激勵力作用產生的振動響應明顯高于橫向單位激勵力作用。

3）在中低頻段內，推進器-軸系-殼體耦合結構受螺旋槳縱向非定常單位激勵力與受花鍵軸前端縱向非定常單位激勵力作用引起的聲輻射效果基本相同，隨著激勵頻率的提高，聲輻射傳遞函數曲線趨勢仍然一致但螺旋槳上單位縱向力激勵高于軸上單位縱向力激勵引起的聲輻射。

4）聲輻射傳遞函數峰值頻率處，耦合結構受螺旋槳縱向激勵時輻射聲壓主要集中在頭部和尾部的錐殼部分，受螺旋槳橫向激勵時輻射面在殼體兩側。

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Research of vibration and acoustic traits of underwater vehicle's propeller-shaft-hull system

YANG Zhong-chao1, LOU Jing-jun2,3, SUN Jiong2, YANG Qing-chao2,3
(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;2. Department of Scientific Research, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;3. China National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To study the underwater vehicle with relatively small scale, the dynamic model of propeller-shaft-hull systems was established. For the propeller-shaft-hull system, the three-dimensional sono-elastisticity theory and the acoustic analysis software were applied to compute the vibration characteristics of the system under typical exciting forces on propeller and shaft, the acoustic radiation traits of different exciting forces in both transverse and longitudinal directions were obtained.

underwater vehicle；propeller-shaft-hull；vibration；acoustic radiation

TB53

A

1672–7649(2017)12–0030–06

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.007

2017–05–10

國家自然科學基金資助項目(51509253，51679245)

楊忠超(1992–)，男，碩士研究生，研究方向為振動噪聲與控制。