小水線面雙體船尾部結(jié)構(gòu)水下輻射噪聲特性及結(jié)構(gòu)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(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片相對(duì)船體的位置變化會(huì)引起附近流場(chǎng)的壓力變化，稱(chēng)之為脈動(dòng)壓力[1–3]。螺旋槳脈動(dòng)壓力作用在尾部結(jié)構(gòu)上，會(huì)激起尾部結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生水下輻射噪聲。目前，對(duì)常規(guī)單體船的螺旋槳脈動(dòng)壓力計(jì)算與測(cè)量[4–7]，以及螺旋槳脈動(dòng)壓力引起的水下輻射噪聲的預(yù)報(bào)[8]已有相關(guān)的研究成果。小水線面雙體船型的主要結(jié)構(gòu)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(dòng)壓力的區(qū)域多為狹窄的板架結(jié)構(gòu)，與常規(guī)單體船相差較大。針對(duì)小水線面雙體船型螺旋槳脈動(dòng)壓力激勵(lì)尾部結(jié)構(gòu)引起水下輻射噪聲的相關(guān)研究仍開(kāi)展較少。

本文通過(guò)試驗(yàn)測(cè)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(dòng)壓力，并將其作為水下輻射噪聲計(jì)算的輸入載荷，采用聲學(xué)有限元方法預(yù)報(bào)各階脈動(dòng)壓力激勵(lì)引起的水下輻射噪聲，分析小水線面雙槳脈動(dòng)壓力相位差對(duì)各階水下輻射噪聲的影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化分析，研究尾部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)脈動(dòng)壓力激勵(lì)引起的水下輻射噪聲的影響，找出降低水下輻射噪聲效費(fèi)比最高的優(yōu)化措施。

1 小水線面雙體船螺旋槳脈動(dòng)壓力激勵(lì)尾部結(jié)構(gòu)引起的水下輻射噪聲計(jì)算方法

1.1 螺旋槳脈動(dòng)壓力測(cè)量

為了獲得小水線面雙體船尾部結(jié)構(gòu)振動(dòng)計(jì)算所需的激勵(lì)載荷，開(kāi)展螺旋槳模型脈動(dòng)壓力測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)按模型槳和實(shí)槳的轉(zhuǎn)速空泡數(shù)相等進(jìn)行。螺旋槳為5葉槳，如圖1所示。測(cè)量脈動(dòng)壓力時(shí)，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(diǎn)的點(diǎn)為中心，布置5個(gè)壓力傳感器，如圖2所示。

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

1.2 螺旋槳脈動(dòng)壓力激勵(lì)尾部結(jié)構(gòu)引起水下輻射噪聲

螺旋槳脈動(dòng)壓力的激勵(lì)頻率為低頻，因此采用基于聲固耦合理論的聲學(xué)有限元法直接計(jì)算脈動(dòng)壓力激勵(lì)尾部結(jié)構(gòu)引起的水下輻射噪聲。

表1 螺旋槳脈動(dòng)壓力試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果（Pa）Tab.1 Test results of propeller fluctuating pressure (Pa)

建立小水線面雙體船結(jié)構(gòu)有限元模型與周?chē)鲌?chǎng)聲學(xué)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(luò)面上定義聲學(xué)無(wú)限單元以模擬無(wú)限水域，在船體結(jié)構(gòu)與流域接觸面設(shè)置流固耦合方式連接。水域的長(zhǎng)約為船長(zhǎng)的1.5倍，水域的寬約為船寬的2倍。船體流場(chǎng)耦合計(jì)算模型如圖3所示。

一般情況下，螺旋槳脈動(dòng)壓力作用范圍為：船長(zhǎng)方向上，距離螺旋槳盤(pán)面向首、尾各1個(gè)螺旋槳直徑；船寬方向上從一舭部到另一舭部，當(dāng)沒(méi)有明顯舭部時(shí)取設(shè)計(jì)水線以下部分。但是小水線面雙體船，其尾部結(jié)構(gòu)造型與單體船差別很大，支柱體延伸至船尾，支柱體兩側(cè)垂直。因此每側(cè)螺旋槳上方直接受螺旋槳脈動(dòng)壓力的區(qū)域?yàn)橹е装澹L(zhǎng)度方向上向首、尾各1個(gè)螺旋槳直徑，寬度方向至支柱體兩側(cè)的狹窄板架結(jié)構(gòu)。

將表1中螺旋槳脈動(dòng)壓力視為均布載荷，同時(shí)施加均布?jí)毫υ谧笙霞坝蚁下菪龢}動(dòng)壓力作用區(qū)域，如圖4所示。

采用上述計(jì)算模型，分別計(jì)算前5階螺旋槳脈動(dòng)壓力激勵(lì)尾部結(jié)構(gòu)引起的水下輻射噪聲，并通過(guò)施加復(fù)數(shù)形式的激勵(lì)力考慮雙槳相位差分別為0°，45°，90°和180°時(shí)各階脈動(dòng)壓力引起的水下輻射聲壓級(jí)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 雙槳脈動(dòng)壓力激勵(lì)尾部振動(dòng)引起的輻射聲壓級(jí)Tab.2 Radiated sound pressure induced by two propellers fluctuating pressure exciting stern structure

由表2可知，螺旋槳脈動(dòng)壓力葉頻分量激勵(lì)尾部結(jié)構(gòu)引起的輻射噪聲較大。不同相位下各階脈動(dòng)壓力引起的輻射聲壓有一定差別。脈動(dòng)壓力葉頻分量（5 Hz）與第5階脈動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)壓力分量外，其余各階脈動(dòng)壓力分量激勵(lì)尾部振動(dòng)引起的水下輻射噪聲均是相位差180°時(shí)最小。

2 小水線面雙體船型脈動(dòng)壓力作用區(qū)域結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化分析

針對(duì)雙槳脈動(dòng)壓力同相的情況分析小水線面雙體船型脈動(dòng)壓力作用區(qū)域結(jié)構(gòu)的參數(shù)對(duì)水下輻射噪聲的影響。小水線面雙體船左舷尾部結(jié)構(gòu)如圖5所示，右舷與左舷對(duì)稱(chēng)。

2.1 板厚影響分析

首先分析脈動(dòng)壓力作用區(qū)域板厚對(duì)螺旋槳脈動(dòng)壓力激勵(lì)水下輻射噪聲的影響。板厚的增減會(huì)改變區(qū)域重量與剛度，進(jìn)而影響水下輻射噪聲。原始結(jié)構(gòu)板厚為12 mm，現(xiàn)將板厚改變?yōu)?4 mm，16 mm與18 mm，計(jì)算前5階螺旋槳脈動(dòng)壓力引起的水下輻射噪聲。計(jì)算結(jié)果如表3所示，可見(jiàn)板厚對(duì)脈動(dòng)壓力引起的水下輻射噪聲有著較大的影響。當(dāng)板厚由12 mm調(diào)整為14 mm時(shí)，各階脈動(dòng)壓力分量引起的輻射聲壓級(jí)顯著減小。如脈動(dòng)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?yàn)樵黾影搴裨鰪?qiáng)了結(jié)構(gòu)的剛度，從而減小了尾部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和輻射噪聲。當(dāng)板厚繼續(xù)增加至16 mm與18 mm后，得到的水下輻射聲壓級(jí)和14 mm板的結(jié)果相差很小。

表3 板厚對(duì)脈動(dòng)壓力激勵(lì)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(qiáng)筋尺寸的影響

為研究脈動(dòng)壓力作用區(qū)域橫向加強(qiáng)筋尺寸對(duì)水下輻射噪聲的影響，將球扁鋼規(guī)格由14a（P140×7）調(diào)整為16a（P160×8），計(jì)算得到的水下輻射聲壓級(jí)如表4所示。可以看出，橫向加強(qiáng)筋尺寸對(duì)脈動(dòng)壓力引起的水下輻射噪聲有著較為顯著的影響。加強(qiáng)筋規(guī)格由14a調(diào)整為16a時(shí)，尾部區(qū)域結(jié)構(gòu)的剛度有所提升，各階脈動(dòng)壓力引起的水下輻射聲壓級(jí)顯著減小，例如脈動(dòng)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(qiáng)筋間距的影響

為研究橫向加強(qiáng)筋間距對(duì)螺旋槳脈動(dòng)壓力引起的水下輻射噪聲的影響規(guī)律，現(xiàn)將橫向加強(qiáng)筋間距由0.5 m調(diào)整為0.25 m，以增加橫向加強(qiáng)筋數(shù)量，計(jì)算得到的水下輻射聲壓級(jí)結(jié)果如表5所示。可以看出，橫向加強(qiáng)筋加密之后，各階脈動(dòng)壓力分量引起的輻射噪聲都明顯降低，其中脈動(dòng)壓力葉頻分量引起的水下輻射噪聲級(jí)降低了6.3 dB。

表4 橫向加強(qiáng)筋尺寸對(duì)脈動(dòng)壓力激勵(lì)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(qiáng)筋間距對(duì)脈動(dòng)壓力激勵(lì)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(qiáng)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(wú)其他加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。為研究縱向加強(qiáng)筋對(duì)脈動(dòng)壓力引起的水下輻射噪聲的影響，現(xiàn)于縱桁兩側(cè)各設(shè)置一縱向加強(qiáng)筋，距縱桁0.5 m，規(guī)格與橫向加強(qiáng)筋相同（球扁鋼14a，P140×7），計(jì)算得到的水下輻射聲壓級(jí)如表6所示。由計(jì)算結(jié)果可知，尾部脈動(dòng)壓力作用區(qū)域采用縱筋加強(qiáng)后，各階脈動(dòng)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(qiáng)筋基本相當(dāng)。

2.5 不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式對(duì)比

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

表6 縱向加強(qiáng)筋對(duì)脈動(dòng)壓力激勵(lì)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(jié)構(gòu)優(yōu)化方式的效費(fèi)比如表7所示。當(dāng)板厚大于14 mm后，繼續(xù)增加板厚并沒(méi)有顯著降低輻射聲壓級(jí)，因此效費(fèi)比減小。比較增加板厚（14 mm）、增加橫向加強(qiáng)筋尺寸、減小橫向加強(qiáng)筋間隔、增加縱向加強(qiáng)筋4種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式，增加橫向構(gòu)件尺寸的效費(fèi)比最高，其次為加設(shè)縱向加強(qiáng)筋，而減小橫向加強(qiáng)筋間隔的方式效費(fèi)比最低。第3階脈動(dòng)壓力分量引起的水下輻射噪聲受到結(jié)構(gòu)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(qiáng)筋尺寸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式中，第2階脈動(dòng)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(qiáng)筋間隔與增加縱向加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式中，第5階脈動(dòng)壓力引起的水下輻射噪聲受到的影響最小。

表7 不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式的效費(fèi)比（dB/t）Tab.7 Cost effective ratio of different structural optimization methods

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值計(jì)算的方式獲得小水線面雙體船螺旋槳脈動(dòng)壓力激勵(lì)尾部結(jié)構(gòu)引起的水下輻射噪聲。研究雙槳脈動(dòng)壓力相位差對(duì)水下輻射噪聲的影響，分析尾部結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對(duì)水下輻射噪聲的影響，找出了尾部結(jié)構(gòu)效費(fèi)比最高的聲學(xué)優(yōu)化措施。本文主要結(jié)論如下：

1）雙槳脈動(dòng)壓力相位差對(duì)小水線面雙體船尾部結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的水下輻射噪聲由較為明顯的影響。除第3階脈動(dòng)壓力分量外，其余各階脈動(dòng)壓力分量激勵(lì)引起的水下輻射噪聲均在相位差為180°時(shí)取到最小值。

2）通過(guò)增加板厚，增大橫向構(gòu)件尺寸，減小構(gòu)件間隔均可以降低各階脈動(dòng)壓力引起的水下輻射噪聲。其中，增加橫向加強(qiáng)筋尺寸的效費(fèi)比最高，其次為增設(shè)縱向加強(qiáng)筋。