用于潜航器结构低频辐射噪声实时仿真的快速推演方法技术

本发明专利技术公开了一种用于潜航器结构低频辐射噪声实时仿真的快速推演方法，在动态仿真前首先建立声学远场球面辐射噪声谱模型，将计算时间最长、数据存储需求最大的流固耦合面上的振动谱和声压谱预报过程提前完成；以水声传播规律作为推演基础，以声学远场球面辐射噪声谱模型为输入，分别利用插值技术和水声衰减规律开展方位指向因子预报和距离衰减因子预报，有效规避使用大规模流固振动与边界声压数据数值积分预报辐射噪声的计算效率问题，所使用的模型数据量小，预报过程简单，因而特别适宜于植入操艇控制动态仿真系统。本发明专利技术实现了在预报精度得以充分保障的前提下，以更快的速度进行辐射噪声预报，满足潜航器航行状态辐射噪声动态仿真的需要。动态仿真的需要。动态仿真的需要。

【技术实现步骤摘要】
用于潜航器结构低频辐射噪声实时仿真的快速推演方法


[0001]本专利技术涉及潜航器航行仿真
，具体地指一种用于潜航器结构低频辐射噪声实时仿真的快速推演方法。

技术介绍

[0002]潜航器在水下航行时的结构辐射噪声是水下航行器研发行业所关注的问题，为研制形成低辐射噪声的潜航器，需在研发阶段配合操艇控制仿真实现潜航器结构的辐射噪声动态仿真，即潜航器航行状态的辐射噪声动态仿真。
[0003]操艇控制仿真通过预报操艇控制过程来验证操艇控制模型的正确性——通过实时预报、记录和分析潜航器在每一瞬时的位置、姿态等状态信息来判断操艇控制过程是否满足研制要求。由于操艇控制预报速度较快，针对每一瞬时状态的预报以毫秒级计量，因而可以采取动态实时仿真的方式动态仿真并记录操艇控制过程中潜航器各瞬时的状态，形成动态效果。而潜航器航行状态的辐射噪声动态仿真则需要利用每一瞬时位置和姿态信息，预报给出潜航器因受机械激振力作用振动而导致的空间某确定位置的辐射声压谱，以动态的方式记录声压谱及其导出的声学物理量，并据此研判潜航器的辐射噪声能力和研发效果。
[0004]然而，潜航器的辐射噪声预报问题是水下结构与流体相互作用的多物理场耦合问题，在低频时，潜航器振动波长较流体声波长短得多，较为准确地进行辐射噪声预报将存在运算量和数据存储量巨大、从而预报时间较长的问题。这导致潜航器结构辐射噪声预报无法同操艇控制预报相匹配，难以植入实时仿真系统开展动态仿真。因而，长期以来，潜航器的辐射噪声预报同操艇控制仿真分离进行，无法开展潜航器在航行状态的辐射噪声动态仿真。
[0005]目前，国内外普遍使用结构有限元耦合流体边界元技术预报潜航器的低频辐射噪声，认为该技术对预报对象未引入过多的物理假定，是较为精确的预报技术。然而，该技术具有数值计算量、数据存储量大的缺陷：以板壳为主要构件的水下航行器通常在低频具有比流体声波长更短的振动波长，需要数量巨大的结构有限元网格和边界元网格表征结构在流固耦合面上的振动和声压分布特征，从而导致了潜航器辐射噪声预报中需要大规模矩阵运算和结果数据存储。例如对长度为36米、直径为3.6米的圆柱壳结构，在激振力频率为100Hz时，结构振动波长约为0.1米，这样需使用的结构有限元和流体边界元数量均达到31267个单元才能满足预报精度要求，与此相应的流固耦合数值运算中，中间存储数据所需磁盘占用量将达到1T以上，完成一个频率、一个声场位置（场点）的运算约需时间5小时。
[0006]由此可见，若要直接利用结构有限元耦合流体边界元技术进行潜航器航行状态辐射噪声动态仿真，无论在数据存储量上，还是在预报速度上均无法适应动态仿真的需要。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有技术的不足之处，提出一种用于潜航器结构低频辐射噪声实时仿
真的快速推演方法，可实现潜航器辐射噪声仿真与操艇控制仿真的实时同步配合，还可用于水下结构物辐射噪声场的批量预报，从而支撑低噪声潜航器的动态仿真和技术研发。
[0008]为实现上述目的，本专利技术设计的一种用于潜航器结构低频辐射噪声实时仿真的快速推演方法，其特殊之处在于，所述方法包括建立声学远场球面辐射噪声谱模型阶段和快速推演预报场点辐射声压两个阶段：所述建立声学远场球面辐射噪声谱模型阶段包括步骤：S1建立潜航器结构有限元和流体边界元模型，建立声学远场球面辐射噪声谱模型，将需分析的频带划分为一系列离散的频率，所述声学远场球面辐射噪声谱模型用于表征声学远场球面上网格节点的声压谱；S2针对需分析的频带中的每个频率ω，求解潜航器结构流固耦合动力方程获得耦合面上的振动位移列向量U
n
与声压列向量P，预报以声学远场球面网格节点作为场点的声压谱P
s
，整合每个频率ω下的声压谱P
s
形成潜航器结构的声学远场球面辐射噪声谱模型P
s
(ω)；所述快速推演预报场点辐射声压阶段包括步骤：S3以所述声学远场球面辐射噪声谱模型P
s
(ω)和声学远场球面的网格节点为输入，计算任意场点的声压谱p(r,θ,φ,ω)，采用插值技术得到任意场点的方位指向因子B(θ,φ,ω) ，(r, θ,φ,ω)是场点位置在球坐标系下的表示，r是场点距离潜航器随船坐标系原点的距离，θ、φ分别是球坐标系的经度角和纬度角；S4计算距离衰减因子C(r)，结合所述方位指向因子B(θ,φ,ω)，由所述声学远场球面辐射噪声谱模型P
s
(ω)推演任意场点的辐射噪声。
[0009]优选地，步骤S1）中，潜航器结构被离散为有限元，形成结构有限元模型，潜航器与海水的交界面为流固耦合面，所述流固耦合面上的有限元网格为流体边界元模型；声学远场球面为半径为潜航器最大尺寸N倍、包围潜航器的球面，N为大于1的自然数；将声学远场球面划分为网格，形成声学远场球面网格模型，记录网格节点的坐标和编号。
[0010]优选地，步骤S2中所述潜航器结构流固耦合动力方程为：
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（E1）式（E1）中，j为虚部单位，ω为流固耦合系统脉动圆频率，U为结构有限元节点位移列向量，F
m
为作用于潜航器的单位机械激振力列向量，F
p
为作用于潜航器流固耦合面声压经等效给出的、作用于结构节点自由度的激振力列向量，M为结构质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，L为用于提取流固耦合面法向位移振动数据的自由度转换矩阵，G为用于将流固耦合面声压转换为ω流体作用于结构节点自由度激振力的转换矩阵；矩阵E和D分别为振动和声压对场点声压的流体影响系数矩阵； U
n
是耦合面上的振动位移列向量，P是声压列向量。
[0011]优选地，步骤S2）中以声学远场球面网格节点作为场点的声压列向量P
s
的表达式
为：P
s
=E
s
P
‑
D
s
U
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（E3）式（E3）中，E
s
和D
s
分别为振动和声压对声学远场球面不同网格节点给出的流体影响系数行向量依行排列形成的矩阵；所述以声学远场球面网格节点作为场点的声压列向量P
s
针对一个单频计算得到，对需分析的频带的所有单频计算P
s
，整合得到声学远场球面辐射噪声谱模型P
s
(ω)。
[0012]优选地，步骤S3）中所述任意场点的声压谱p(r,θ,φ,ω)的表达式为：p(r,θ,φ,ω)=αB(θ,φ,ω)C(r,ω)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（E4）式（E4）中，α是潜航器受到的激振力幅值因子，B(θ,φ,ω)是方位指向因子，用于反映单位激振力作用下的潜航器在声学远场球面上的辐射声压随方位的变化，C(r,ω)是距离衰减因子，用于反映潜航器辐射声压随距离的衰减规律。
[0013]优选地，步骤S3中所述任意场点的方位指向因子B(θ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于潜航器结构低频辐射噪声实时仿真的快速推演方法，其特征在于：所述方法包括建立声学远场球面辐射噪声谱模型阶段和快速推演预报场点辐射声压两个阶段：所述建立声学远场球面辐射噪声谱模型阶段包括步骤：S1建立潜航器结构有限元和流体边界元模型，建立声学远场球面辐射噪声谱模型，将需分析的频带划分为一系列离散的频率，所述声学远场球面辐射噪声谱模型用于表征声学远场球面上网格节点的声压谱；S2针对需分析的频带中的每个频率ω，求解潜航器结构流固耦合动力方程获得耦合面上的振动位移列向量U
n
与声压列向量P，预报以声学远场球面网格节点作为场点的声压谱P
s
，整合每个频率ω下的声压谱P
s
形成潜航器结构的声学远场球面辐射噪声谱模型P
s
(ω)；所述快速推演预报场点辐射声压阶段包括步骤：S3以所述声学远场球面辐射噪声谱模型P
s
(ω)和声学远场球面的网格节点为输入，计算任意场点的声压谱p(r,θ,φ,ω)，采用插值技术得到任意场点的方位指向因子B(θ,φ,ω)，(r,θ,φ,ω)是场点位置在球坐标系下的表示，r是场点距离潜航器随船坐标系原点的距离，θ、φ分别是球坐标系的经度角和纬度角；S4计算距离衰减因子C(r)，结合所述方位指向因子B(θ,φ,ω)，由所述声学远场球面辐射噪声谱模型P
s
(ω)推演任意场点的辐射噪声。2.根据权利要求1所述的一种用于潜航器结构低频辐射噪声实时仿真的快速推演方法，其特征在于：步骤S1）中，潜航器结构被离散为有限元，形成结构有限元模型，潜航器与海水的交界面为流固耦合面，所述流固耦合面上的有限元网格为流体边界元模型；声学远场球面为半径为潜航器最大尺寸N倍、包围潜航器的球面，N为大于1的自然数；将声学远场球面划分为网格，形成声学远场球面网格模型，记录网格节点的坐标和编号。3.根据权利要求2所述的一种用于潜航器结构低频辐射噪声实时仿真的快速推演方法，其特征在于：步骤2）中所述潜航器结构流固耦合动力方程为：
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（E1）式（E1）中，j为虚部单位，ω为流固耦合系统脉动圆频率，U为结构有限元节点位移列向量，F
m
为作用于潜航器的单位机械激振力列矩阵，F
p
为作用于潜航器流固耦合面声压经等效给出的、作用于结构节点自由度的激振力列向量，M为结构质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，L为用于提取流固耦合面法向位移振动数据的自由度转换矩阵，G为用于将流固耦合面声压转换为流体作用于结构节点自由度激振力的转换矩阵；矩阵E和D分别为振动和声压对场点声压的流体影响系数行向量，矩阵或列向量F
m
、M、C、K、L、G由商业有限元程序根据结构所受激振力的具体位置和结构的材料、板厚、几何等信息自动生成；矩阵E和D由商业边界元程序根据流固耦合面的几何、流体声学参数和频率输入参数自动生成。4.根据权利要求1所述的一种用于潜航器结构低频辐射噪声实时仿真的快速推演方法，其特征在于：步骤S2）中以声学远场球面网格节点作为场点的声压列向量P
s
的表达式为：
P
s
=E
s
P
‑
D
s
U
n
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（E3）式（E3）中，E
s
和D
s
分别为振动和声压对声学远场球面不同网格节点给出的流体影响系数行向量依行排列形成的矩阵；所述以声学远场球面网格节点作为场点的声压列向量P
s
针对一个单频计算得到，对需分析的频带的所有单频计算P
s
，整合得到声学远场球面辐射噪声谱模型P
s
(ω)。5.根据权利要求3所述的一种用于潜航器结构低频辐射噪声实时仿真的快速推演方法，其特征在于：步骤S3中所述任意场点的声压谱p(r,θ,φ,ω)的表达式为：p(r,θ,φ,ω)=αB(θ,φ,ω)C(r,ω)
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（E4）式（E4）中，α是潜航器受到的激振...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪刚，张凤羽，赵鹏，唐永壮，吕晓军，潘雨村，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：