用于水下航行器振动声学的混合流体结构相互作用-等效源方法

《Ocean Engineering》：Hybrid fluid structure interaction-equivalent source method for vibro-acoustic of underwater vehicle

水下车辆结构振动声辐射分析中提出混合FSI-ESM方法，通过结构表面等效源点构建模型，避免边界积分方程奇异性问题，实现复杂耦合结构降阶建模。

　　在海洋工程和军事应用中，水下车辆的结构设计至关重要，其核心在于如何有效控制结构的振动和辐射噪声。这些因素不仅影响水下车辆的隐蔽性，还关系到其结构的安全性。随着绿色发展理念的深入，国际组织如国际海事组织（IMO）、美国船级社（ABS）和挪威船级社（DNV）对水下噪声的限制愈发严格，以减少对水下声呐设备的影响，并保护海洋生态环境。因此，水下车辆的振动与噪声预测研究成为学术界和工程界关注的重点。

传统的振动与噪声预测方法包括解析法、半解析法、数值分析法和实验法。其中，解析法和半解析法因其计算效率高，适用于简单结构的振动与噪声分析，但难以处理复杂的耦合结构。数值分析方法如有限元法（FEM）具有广泛的应用范围和强健的鲁棒性，能够解决结构的振动与声辐射问题，但需要对结构外部的声场进行截断处理，限制了其在无限域中的应用。边界元法（BEM）则适合无限域的分析，但其边界积分方程存在奇异积分和特征频率点非唯一性的问题，影响了计算的稳定性与准确性。而基于波函数和贝塞尔函数的波模式法（WSM）则能有效预测不同海洋环境下的远场辐射噪声，避免了奇异积分的计算难题。

为了解决复杂耦合结构的振动与噪声分析问题，本文提出了一种混合的流体-结构相互作用-等效源法（FSI-ESM）无网格方法。该方法基于结构-流体耦合界面的运动边界条件和力平衡边界条件，建立了水下车辆结构在重流体环境下的耦合方程，以求解结构的振动响应。随后，通过结构表面的共形收缩，构建了基于自由场格林函数和等效源积分方程的等效源分析模型。利用结构表面的振动速度进行逆向推理，求解等效源点的源强，进而分析水下车辆结构的辐射噪声。该方法通过等效源点的构建，实现了对复杂耦合结构辐射噪声问题的降维建模，避免了结构表面的复杂离散化以及网格划分带来的奇异积分问题。

在方法的实现过程中，首先需要对结构-流体耦合系统进行建模。具体而言，将弹性结构划分为若干个单元，并定义结构内部和外部的声场区域。结构-流体耦合界面则分为内侧和外侧边界，分别对应结构内部与外部流体之间的相互作用。通过引入结构表面的共形收缩技术，可以将结构表面的物理特性映射到外部声场中，从而构建出等效源分析模型。该模型利用格林函数来描述声波在自由场中的传播特性，并结合等效源点的源强计算，实现了对水下车辆结构辐射噪声的高效分析。

为了验证该方法的有效性，本文将其与有限元法-边界元法（FEM-BEM）的数值结果进行了对比分析。通过解析解与数值解的对比，证明了FSI-ESM方法在计算精度和收敛性方面的优势。同时，还进行了参数分析，探讨了不同厚度-直径比和材料属性对球壳结构振动噪声的影响。此外，本文还研究了典型机械设备激励下水下结构的声辐射特性，为水下结构的振动与声辐射分析提供了方法支持。

在实际应用中，水下车辆的结构形式多样，包括球壳、圆柱壳、锥壳等。这些结构在海洋环境中受到多种因素的影响，如海水密度、声速、边界条件以及材料特性等。本文选取了球壳结构作为研究对象，分析了其在不同厚度和材料参数下的振动噪声特性。同时，还针对水下结构的典型组件——潜艇外壳结构（suboff structure）进行了研究，探讨了其在不同机械激励下的声辐射特性。通过这些分析，不仅验证了FSI-ESM方法的适用性，还揭示了结构参数对声辐射性能的影响规律。

本文的研究成果表明，FSI-ESM方法在处理复杂耦合结构的振动与噪声问题时具有显著的优势。一方面，该方法通过等效源点的构建，有效避免了传统边界积分方程中的奇异积分问题，提高了计算的稳定性；另一方面，其降维建模的能力使得在处理大规模结构时更加高效，减少了计算资源的消耗。此外，FSI-ESM方法还能够灵活适应不同的海洋环境条件，如浅海波导环境、北极海域等，具有广泛的应用前景。

在具体实施过程中，FSI-ESM方法需要对结构表面进行精确的几何建模，并结合流体动力学原理进行合理的物理建模。同时，为了提高计算效率，还需对等效源点的分布和密度进行优化设计。此外，本文还探讨了不同激励条件下的声辐射特性，如机械振动、流体动力激励等，为水下结构的噪声控制提供了理论依据。通过这些研究，可以为水下车辆的设计与优化提供重要的参考价值，帮助工程师在设计阶段就考虑到结构的声辐射特性，从而提升水下车辆的隐蔽性和安全性。

FSI-ESM方法的应用不仅限于理论研究，还具有重要的工程实践意义。在实际工程中，水下车辆的结构往往受到复杂的外部环境影响，如海流、水压、温度变化等，这些因素都会对结构的振动和声辐射产生影响。因此，采用FSI-ESM方法可以更准确地模拟这些复杂条件下的声辐射特性，为水下车辆的噪声控制提供科学依据。此外，该方法还可以用于水下结构的声学优化设计，通过调整结构参数，降低其在特定环境下的噪声辐射水平，从而提高水下车辆的隐蔽性和任务执行能力。

在研究过程中，本文还结合了多种分析方法，如有限元法、边界元法和波模式法，以验证FSI-ESM方法的可靠性。通过对比分析，证明了该方法在计算精度和效率方面的优势。同时，还进行了实验验证，如对加强圆柱壳结构的实验研究，进一步确认了FSI-ESM方法在实际应用中的有效性。这些研究不仅丰富了水下结构声辐射分析的理论体系，也为相关工程应用提供了重要的技术支持。

总的来说，本文提出的FSI-ESM方法为水下车辆结构的振动与噪声分析提供了一种新的解决方案。该方法通过等效源点的构建和逆向推理，有效解决了传统方法中存在的计算难题，如奇异积分和高维离散化。同时，其降维建模的能力使得在处理复杂结构时更加高效，适用于不同海洋环境下的声辐射分析。随着水下技术的不断发展，FSI-ESM方法将在未来的水下结构设计与优化中发挥越来越重要的作用，为提升水下车辆的隐蔽性、安全性和任务执行能力提供有力保障。