大型复杂圆柱壳中高频振动噪声仿真计算方法研究

    1引言

    圆柱壳是船舶、飞机等大型复杂结构采用的主要结构形式之一，建立其中高频动力学仿真计算方法对于解决目前极为关注的船舶、飞机等大型复杂结构的辐射噪声预报问题具有重要意义。针对水下圆柱壳结构的振动噪声特性预报问题，国内外已有大量的研究成果工3〕。传统的声学流固藕合计算方法需要很大的空间模拟流场区域，造成其在处理大型结构中高频问题时生成的计算网格数量太大，往往超出现有计算机所能承受的规模，从而阻碍了其在大型复杂结构中高频声学流固问题求解时的应用。Zhou-3}提出了流固藕合条件下外域水的处理方法，通过将外域水处理为结构动力学方程的附连质量和阻尼，成功地缩减了大型复杂圆柱壳结构的动力学计算规模。然而，这种方法在处理大型复杂结构声学流固藕合问题时的有效频率范围仍局限于低频(小于100 Hz)。子结构方法川虽然为大型复杂结构动力学问题的求解提供了一种方案，并已在航空、航天领域中得到应用，但在处理流固藕声学问题时仍有较大的局限性，流场域模型的降阶缩聚方法仍待研究。完美匹配层(PMI_)法是近期新发起来的一种处理计算域边界的方法，最初由Berenger -5〕在计算电磁场有限域波动问题中引入，通过在有限元区域外部定义一个吸收外行波的完美匹配层，从而达到缩小外部流场区域的目的，可有效降低大型复杂结构仿真计算的规模。

    对于实际复杂圆柱壳结构，环频率和阻尼衰减作用川是其固有特性，对结构振动波的传递有着重要影响，决定着结构振动是影响局部还是全局，从而为开展大型复杂圆柱壳结构的中高频声学问题的建模处理方法研究提供了思路。

    基于完美匹配层流固藕合仿真计算方法和实际复杂圆柱壳结构的上述两个特性，本文将对大型复杂圆柱壳结构振动噪声特性的求解方法进行探讨，分析其可行性，从而为船舶的中高频振动噪声特性仿真计算提供一种新的解决方案。

    2理论基础

    2. 1完美匹配层流固藕合数值仿真计算方法

    完美匹配层的目的是在计算区域外面构造有限厚度的吸收层，吸收层吸收或衰减向外传播的波，同时在计算模型区域与匹配层的交界面产生最小可能的虚假反射。在声辐射问题中，整个仿真区域被分为声学有限元(FEM)区域}nt}:和完美匹配层(PMI_)区域}n}n t，如图1所示。

    ?结构辐射表面有限元区域仅取一层单元即可完美匹配层区域与计算频率有关。

    式中Ｌｐｍｌ为流场的外部半径，λ为计算频率对应的流场中声音的波长。