基于Abaqus水聲固定式測量系統(tǒng)的仿真分析

摘 要：相對于傳統(tǒng)的海洋航行噪聲測量方式及系統(tǒng)布置，水聲固定式測量系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、傳感器類型多等優(yōu)點。在利用Abaqus有限元分析平臺中的CFD和顯示動力學(xué)模塊對該系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真計算基礎(chǔ)之上，得出了該系統(tǒng)工作繞流場信息、固有頻率和某些特征點處的振動情況，仿真計算結(jié)果為系統(tǒng)的進(jìn)一步升級以及未來的固定試驗場測量平臺搭建提供了有用信息。

關(guān)鍵詞：Abaqus；固定式測量系統(tǒng)；仿真

引言

近年來，我國艦船噪聲測量工作逐漸發(fā)展，諸如利用矢量水聽器、多元陣、體積陣等新的測量形式、測量方法逐漸被投入使用。同樣，文章所介紹的水聲靜態(tài)測量系統(tǒng)也是隨著行業(yè)進(jìn)步而發(fā)展出來的一套完整、有效、創(chuàng)新的噪聲測量系統(tǒng)。目前，美國、俄羅斯等海洋強(qiáng)國均有自己的噪聲測量固定試驗場[1]。背景良好的噪聲固定試驗場可以加快測量工作的效率、加強(qiáng)測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，而相對來說我國的艦船噪聲測試工作還沒有在固定試驗場持續(xù)穩(wěn)定展開。文章所介紹水聲固定式測量系統(tǒng)作為未來噪聲測量固定試驗場建設(shè)的預(yù)演項目，已經(jīng)被證實是一套可以有效測量艦船噪聲的可靠系統(tǒng)。從工作空間來說，該系統(tǒng)分為干端和濕端，如圖1所示，為系統(tǒng)一個濕端組成模塊模型圖及其網(wǎng)格劃分，中部以下圓柱部分為電子艙，用于放置采集器等部件，底部為配重雪橇，其余結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)支架。各類不同類型的傳感器布置于支架圓環(huán)中部，通過電纜將噪聲信號傳至電子艙內(nèi)采集設(shè)備，繼而通過海洋通信電纜將數(shù)據(jù)傳至岸站進(jìn)行進(jìn)一步處理。文章的計算平臺為Abaqus通用有限元軟件，該軟件功能強(qiáng)大，其解決問題的覆蓋范圍可以從相對簡單的線性問題到復(fù)雜的非線性問題，從單一物理場分析到耦合場分析，現(xiàn)已成為國際上用戶群最廣的有限元分析軟件之一。

水聲固定式測量系統(tǒng)的工作環(huán)境為復(fù)雜的海洋環(huán)境，我們在利用該系統(tǒng)對艦船噪聲進(jìn)行測量時，會關(guān)注其水密性、穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)振動特性。水密性主要是針對于電子艙而言，穩(wěn)定性則和振動特性密切相關(guān)。對于電子艙內(nèi)的電子設(shè)備來說，如果發(fā)生問題，將系統(tǒng)送至岸站進(jìn)行修理調(diào)試非常不方便，因此保持其工作穩(wěn)定性是尤為 重要的，而系統(tǒng)的振動信息對于保持系統(tǒng)工作穩(wěn)定性則起到關(guān)鍵作用。文章基于已有研究的基礎(chǔ)之上，利用有限元軟件Abaqus對該系統(tǒng)模塊進(jìn)行仿真計算，得出的結(jié)論對系統(tǒng)升級及固定試驗場測量系統(tǒng)設(shè)計提供了一定思路。

1 數(shù)值模型

采用Abaqus Part對一個濕端結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模。仿真參數(shù)設(shè)置為：模型整體縱向特征尺寸為3.5m，電子艙高度0.8m，直徑為0.5m，支架和電子艙材料為鈦合金，密度4500kg/m3，彈性模量，泊松比為0.35。系統(tǒng)底部Part為配重雪橇，用于在海洋中對系統(tǒng)進(jìn)行固定。其特征長度為1m，寬度為0.3m，底座圓柱高度為0.25m。材料為結(jié)構(gòu)鋼材，密度7980kg/m3，彈性模量126GPa，泊松比為0.3。

利用有限元方法對振動等結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題進(jìn)行計算是被證實是非常有效的。Abaqus采用中心差分法進(jìn)行動力學(xué)計算，王樹濤等[3]利用該方法對船舶碰撞過程進(jìn)行數(shù)值仿真，對該方法處理問題的實用性進(jìn)行了驗證。

振動分析的求解方程為動力學(xué)方程，即：

我們所研究目標(biāo)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量是連續(xù)分布的，慣性力也是連續(xù)分布的，所以對其無限個自由度所確定的振動體系求解是十分困難的，根據(jù)有限元法的思想，將結(jié)構(gòu)體離散化，將無限自由度近似的用有限自由度來代替，其外力和位移都可以用時間函數(shù)來表示。

由于系統(tǒng)支架部分特征尺寸遠(yuǎn)大于邊長度，因此支架采用殼單元進(jìn)行計算，電子艙和配重雪橇則采用實體單元。劃分后共124097個單元，3246個節(jié)點。

2 測量系統(tǒng)仿真計算

為了能夠準(zhǔn)確得到動力學(xué)分析下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，我們首先要準(zhǔn)確輸入外載荷，在這里，我們利用Abaqus CFD（計算流體力學(xué)）模塊對系統(tǒng)工作流場信息進(jìn)行計算。Abauqs自6.10版本之后，增加了CFD（計算流體力學(xué)）模塊，而結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)模塊和CFD模塊進(jìn)行多物理場分析則是該有限元平臺一大特色，岑毅[2]利用該模塊對流體流經(jīng)帶孔平板脈動壓力進(jìn)行了計算，得出與實驗相吻合的結(jié)果，證實了該模塊在計算流場信息方面的準(zhǔn)確性。計算流體力學(xué)是用離散化方法和計算機(jī)對流體無粘繞流和黏性流體進(jìn)行計算的方法。其核心方程式流體連續(xù)性方程、動量方程和能量方程[2]。在本計算模塊中，是用有限體積法結(jié)合有限元方法對繞流場進(jìn)行計算。流體創(chuàng)建為海水屬性，密度為1025kg/mm，如圖2所示為流體域的網(wǎng)格劃分及脈動壓力云圖，全部采用流體網(wǎng)格，左側(cè)邊界設(shè)置為進(jìn)口，右側(cè)邊界設(shè)置為出口，上邊界設(shè)置為壓力為0的自由液面。海水流速為20m/s。

可以看到流場不同位置處的脈動壓力變化情況。將壓力脈動流體節(jié)點和系統(tǒng)節(jié)點對應(yīng)相對應(yīng)，并導(dǎo)入Abaqus動力學(xué)分析，即將相應(yīng)節(jié)點處的壓力結(jié)果作為力學(xué)邊界輸入條件。除了以上海洋載荷作用，電子艙內(nèi)設(shè)備、系統(tǒng)各組成部分非剛性連接處都會存在質(zhì)量和力的分布。艙內(nèi)設(shè)備空間分布的載荷通過在電子艙內(nèi)節(jié)點處施加質(zhì)量點和螺栓預(yù)緊力來進(jìn)行模擬，電子艙和支架采用剛性連接，并在八個邊緣處施加彈性連接用以模擬減振塑膠進(jìn)行結(jié)構(gòu)耦合。在進(jìn)行動力學(xué)分析之前，首先要對系統(tǒng)模型進(jìn)行模態(tài)分析。結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析的作用是確定其振動特性，振動特性便是結(jié)構(gòu)的固有頻率和陣型，在動力學(xué)計算當(dāng)中，是用來確定結(jié)構(gòu)承受動態(tài)載荷設(shè)計中的重要參數(shù)和其他不同激勵作用下的動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。在外界激勵頻率和固有頻率相同時，會使系統(tǒng)發(fā)生共振，共振對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于隨機(jī)激勵載荷的作用，極大程度上影響系統(tǒng)的使用效能。從動力學(xué)方程角度來說，固有頻率是結(jié)構(gòu)無阻尼自由振動頻率，即滿足：

方程（2）參數(shù)與（1）一致?；谠摲匠?，可以求解出系統(tǒng)基于質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的特征值和特征向量，從而得出結(jié)構(gòu)振動的一種特定的位移形式，稱之為模態(tài)或陣型。Abaqus提供三種求解器求解方程特征值，分別為Lanczos、Subspace和AMS求解器，兩種動態(tài)響應(yīng)求解方法，分別為陣型疊加法和直接積分法。對配重雪橇底部采用6個自由度均為0的絕對限制邊界條件，對系統(tǒng)進(jìn)行最高頻率為1000Hz的模態(tài)分析。系統(tǒng)模塊第一階頻率為1.25Hz，1000Hz對應(yīng)的階數(shù)為第170階。在這里給出系統(tǒng)第20階47Hz的陣型前后比較如圖3所示。

3 仿真結(jié)果及分析

鈦合金材料在流體作用下往往不太容易發(fā)生流固耦合[4]，從而整體結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)過大的變形，在這里由于篇幅的限制，僅給出我們比較關(guān)心的特征位置點處的振動情況。

在電子艙艙蓋外部，會放置水密接頭，通過螺栓和電子艙艙蓋進(jìn)行固定，其作用是將外部傳感器獲得的信號傳遞至內(nèi)部電子艙，在支架三個圓環(huán)中部，會放置各類傳感器，這些傳感器通過彈性鏈接與支架相互作用，水密接頭節(jié)點處的振動對電子艙的水密性能存在一定影響，圓環(huán)與傳感器彈性連接位置處的節(jié)點振動會導(dǎo)致連接橡膠的抖動，從而影響傳感器的測量效果。

對以上位置處的振動信息進(jìn)行分析，并在系統(tǒng)升級時進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化是非常重要的，在這里，首先給出電子艙艙蓋中部節(jié)點振動位移情況如圖4所示。

給出最高層圓環(huán)處傳感器固定彈性連接與圓環(huán)相交節(jié)點處振動情況如圖5所示。

給出相對應(yīng)中部圓環(huán)節(jié)點處的振動位移，如圖6所示。

給出底部響應(yīng)節(jié)點處的振動位移可以從圖中得到的信息是：比較艙蓋節(jié)點和圓環(huán)節(jié)點，繞流場脈動壓力和流速變化較大的區(qū)域，其動力學(xué)振動響應(yīng)也比較明顯，比較不同圓環(huán)相應(yīng)節(jié)點響應(yīng)，第三個圓環(huán)處和前兩個相比，出現(xiàn)寬頻帶位移變化較大的情況，但實際上該位置處的流場載荷并不是最大的，說明該節(jié)點處在特征頻段內(nèi)發(fā)生了共振。共振對結(jié)構(gòu)的影響往往比較大[5]，在以上節(jié)點位置，均出現(xiàn)不同頻率下的振動位移極具變化，在進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)升級設(shè)計過程中，對于保持系統(tǒng)水密性和實用穩(wěn)定性，應(yīng)盡力將輸入載荷考慮周全，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)共振從而引起過大的變形。

4 結(jié)束語

文章首先對水聲靜態(tài)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性和工作流程進(jìn)行了基本介紹，并通過Abaqus CFD及顯示動力學(xué)聯(lián)合仿真對該系統(tǒng)的組成單一模塊進(jìn)行了數(shù)值計算。

通過模態(tài)計算給出了1000Hz以下系統(tǒng)模塊的固有頻率和陣型。通過CFD計算給出了系統(tǒng)工作繞流場的基本信息，通過顯示動力學(xué)計算得出了我們比較關(guān)心的系統(tǒng)模塊特定節(jié)點振動位移，結(jié)果顯示傳感器放置位置處流場有著非常強(qiáng)的脈動壓力，相應(yīng)位置處的動力學(xué)響應(yīng)也比較大。在某些頻率位置處，節(jié)點存在明顯的共振作用，在進(jìn)行下一步系統(tǒng)升級時應(yīng)充分考慮載荷作用，盡量避免將傳感器放置于脈動壓力較大的區(qū)域，并盡量避開共振影響。

參考文獻(xiàn)

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[2]岑毅.基Abaqus＼CFD流體力學(xué)分析[J].Information Science，2013，94：199-200.

[3]楊樹濤，姚雄亮.基于Abaqus的船舶擱淺數(shù)值仿真研究[J].中國艦船研究，2009，4（4）：1-6

[4]劉世明，金武雷.鈦合金導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)抗沖擊能力計算[J].中國艦船研究，2012，7（5）：6-10.

[5]唐友剛，鄭俊武.船舶內(nèi)共振動力學(xué)的研究[J].中國造船，1998，4（143）：19-23.

作者簡介：郭和平（1990-），男，大連測控技術(shù)研究所助理工程師，碩士學(xué)位，主要研究方向為艦船噪聲源識別。