摘 要

随着科学技术的飞速发展，高速艇已广泛应用于军事，民用领域。对于军用高速艇而言，隐身性至关重要，而水下声辐射是影响其隐身性的重要因素；对于民用高速艇而言，2014年国际海事组织批准了“减少商船水下辐射噪声导则”。因此，对于高速艇水下声辐射仿真预报的研究具有非常重要的工程价值和军事意义。

本文的主要研究内容如下：

首先基于FEM/BEM（有限元/边界元方法），利用PATRAN建立有限元模型，利用ABAQUS进行谐响应分析，利用VIRTUAL.LAB软件进行高速艇低频（25Hz-250Hz）水下声辐射计算，得到高速艇低频总声压级为153.95dB。

其次基于SEA（统计能量分析），利用PATRAN建立有限元模型，利用VA ONE建立SEA模型，进行高速艇中高频（250Hz-20000Hz）水下声辐射预报，得到高速艇中高频总声压级为153.71dB。

关键词：高速艇；水下声辐射；有限元/边界元法；统计能量分析；预报

Abstract

With the rapid development of science and technology, high speed craft has been widely used in military and civil fields. For the naval high speed craft, stealth is crucial, and underwater acoustic radiation is an important factor of the stealth; for the civil high speed craft, the International Maritime Organization had approved "The guide rules of reducing underwater radiation noise for merchant ship" in 2014. Therefore, it has great engineering value and military significance to study the simulation and prediction of underwater acoustic radiation for high speed craft.

The main research contents of this paper are shown below:

Firstly, based on FEM/BEM (finite element method/boundary element method), the finite element model was established by PATRAN, then the harmonic response analysis was carried out by ABAQUS, afterwards underwater acoustic radiation of high speed craft in low frequency (25Hz-250Hz) was calculated by VIRTUAL.LAB. The sound pressure level of high speed craft in low frequency was 153.95dB.

Secondly, based on SEA (statistical energy analysis), the finite element model was established by PATRAN. Then using VA ONE establish the SEA model and predict the underwater acoustic radiation of high speed craft in mid-high frequency (250Hz–20000Hz). The sound pressure level of high speed craft in mid-high frequency was 153.71dB.

Key Words： high speed craft; underwater acoustic radiation; FEM/BEM; SEA; prediction

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本文的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 理论解析法 2

1.2.2 数值方法 3

1.2.2.1 有限元和边界元法 4

1.2.2.2 能量方法 5

1.2.2.3 有限元能量混合方法 6

1.2.3 工程估算法 7

1.3 本文研究内容及方法 7

第2章 水下声辐射基础知识及软件简介 9

2.1 水下声辐射基础知识简介 9

2.1.1 辐射噪声的物理度量 9

2.1.2 舰船辐射噪声源 10

2.1.2.1 机械噪声 10

2.1.2.2 螺旋桨噪声 11

2.1.2.3 水动力噪声 11

2.1.3 舰船辐射噪声指向性 11

2.2 FEM/BEM及SEA基本理论 12

2.2.1 FEM基础理论简介 12

2.2.2 BEM基础理论简介 14

2.2.3 SEA基础理论简介 14

2.3 软件简介 17

2.3.1 MSC.PATRAN简介 17

2.3.2 ABAQUS简介 18

2.3.3 VIRTUAL.LAB简介 19

2.3.4 VA ONE简介 19

第3章 高速艇水下声辐射低频段仿真预报 21

3.1 高速艇低频段预报方法 21

3.2 高速艇有限元模型 21

3.3 高速艇水下噪声激励源 22

3.4 ABAQUS谐响应计算 24

3.5 低频段水下声辐射仿真预报 26

3.6 本章小结 30

第4章 高速艇水下声辐射中高频段仿真预报 31

4.1 高速艇中高频段预报方法 31

4.2 高速艇SEA模型的建立 31

4.3 相关参数的确定 32

4.4 中高频段水下声辐射仿真预报 34

4.5 全频段水下声辐射仿真预报 36

4.6本章小结 38

第5章 总结与展望 39

5.1 全文总结 39

5.2 论文展望 39

参考文献 41

致 谢 45

第1章 绪论

1.1 本文的背景及意义

高速艇[¹][²]，是在上世纪30年代到50年代之间兴起的一些航速高而排水量小的军事或民用船舶。高速艇按照特征，可以大致分为以下几类：单体船（高速滑行艇等）、双体船（小水线面双体船等）、翼型船舶（水翼艇，冲翼艇等）、两栖型船舶（气垫船等）。这些船舶在第二次世界大战后，尤其是近些年来，由于材料、动力、电子等行业的发展而取得长足进步。目前，水翼艇、全垫升气垫船、侧壁气垫船等已经比较常见，至于滑行快艇，使用更是普遍。英吉利海峡有30%的旅客与车辆的运输船为全垫升气垫船；港、澳之间的水上客运几乎被侧壁气垫船、高速双体船和水翼艇所垄断；日本濑户、温哥华、马尼拉、夏威夷、印尼沿海岛屿间也普遍采用了水翼艇、高速双体船和气垫船作为水上交通工具。这些高速艇除了共有的高速性外，又各自具有一些特殊性能，因此，高速艇又普遍地应用于军事，如水翼艇的耐波性特别优良；全垫升气垫船具有独特的两栖性；侧壁气垫船甲板宽敞、吃水浅；冲翼艇具有超高速、超低空航行的能力。世界各国军事部门着眼于这些特殊性能，将其应用于军事中。美国已拥有一支水翼导弹巡逻艇部队；俄罗斯已有多艘全垫升气垫登陆艇，其中包括总重350吨、可装载100吨重型坦克的气垫登陆舰；美国的侧壁试验艇的航速可达到90.3kn，曾在60kn航速时发射导弹，并命中靶船；气垫扫雷舰、气垫驱逐舰和气垫登陆舰等也已形成规模。至于高速滑行巡逻艇更是屡见不鲜，在我国也已广泛使用。总之，高速艇已普遍地应用于世界各国的民用和军事领域当中。

对于军用高速艇而言，其隐身性至关重要。电磁波在水中的传导性很差，而声波在水中传播性能非常优良，声波被广泛应用于水下探测目标和传递信息中。实验表明，几千克TNT炸药的爆炸声，能在海洋5000千米的距离外接收到，因此军用高速艇的水下辐射噪声很有可能暴露自身位置。不仅如此，对于装有声呐等设备的军用高速艇，水下辐射噪声会影响声呐设备的使用，使其作用距离减小，降低自身战斗力。而对于民用高速艇而言，噪声辐射对于海洋生物的生长、繁衍等会产生巨大的影响。2013年3月，IMO（国际海事组织）批准了非强制性的“减少商船水下辐射噪声导则（草）”，IMO第66届环保委员会于2014年4月正式批准了该导则，以MEPC.1Circ.833（减少商船水下辐射噪声及其对海洋生物不利影响指南）正式对外发布。因此，对于高速艇水下声辐射仿真预报的研究具有非常重要的工程价值和军事意义。