Influence of thrust bearing seating on acoustic radiation of submarine

SUN Qian1，LIU Wenxi2，ZHOU Qidou2，JI Gang2 1 Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100841, China 2 College of Naval Architecture and Ocean Engineering，Naval University of Engineering， Wuhan 430033，China

SUN Qian，LIU Wenxi，ZHOU Qidou，et a（l 39）

Abstract：［Objectives］In this paper，the influence of thrust bearing seating on the acoustic radiation of a submarine is studied.［Methods］ By utilizing the Finite Element（FE） method and FE coupling fluid interface method，the structure vibration of the pressure hull is calculated with different distributions of longitudinal exciting forces. In this case，the symmetrical distribution of exciting forces and moments are beneficial for reducing vibration. According to the above conclusions，symmetrical thrust bearing seating is designed and the longitudinal stiffness of the system controlled through choosing the size of components. Two submarines are designed， one with conventional thrust bearing seating and the other one with symmetrical thrust bearing seating. The vibration response and radiation noise of the structures of the two submarines are forecasted. ［Results］ It can been seen that when the propeller longitudinal force is constant，symmetrical thrust bearing seating can significantly decrease the level of vibration and radiation noise.［Conclusions］The results can provide references for the acoustic optimization and design of the thrust bearing seating of submarines. Key words：thrust bearing；structural vibration；radiation noise；peak frequency；vibration mode

0引言

螺旋桨是潜艇的主要噪声源之一，它主要通过轴系及相连的基座结构引起艇体结构的振动，并由潜艇湿表面向水中辐射噪声。由此，导致了螺旋桨、轴系、基座、艇体结构的耦合振动问题。深入开展相关研究，对降低由螺旋桨引起的艇体结构振动和辐射噪声具有重要意义。通常，在轴系设置纵向减振器和动力吸振器［1-4］来控制螺旋桨激振力通过轴系传递到艇体Dylejko Merz等［1］和 等［2-3］针对轴系—艇体结构。结构的耦合振动问题展开研究，通过在推力轴承位置使用动力吸振器来降低经由推力轴承传递到艇体结构的轴系纵向激振力，然后分别使用传递矩阵法、有限元法（FEM）、结构有限元耦合流体边界元法建立动力学系统模型，对动力吸振器的结构参数进行优化，以达到降低激振力传递的目的。曹贻鹏［5］和杨成春［6］为了降低由螺旋桨纵向激振力引起的艇体结构辐射噪声，采用横舱壁作为推力轴承基座，改变了纵向激振力的传递路径。结果表明，该方案不仅起到了一定的减振作用，还可以减小系统的纵—横耦合程度。不过，横舱壁主要用于分割内部空间，形成水密舱室以及支撑潜艇外壳等，采用横舱壁作为推力轴承基座有可能影响舱壁主要功能的实现，例如，舱室的水密性不好会影响舱内的总布置；另外，潜艇一般横向对称而垂向不对称，以舱壁为基座，力的传递路径太多，难以有效控制各个方向力的传递。李攀硕等［7］分析了轴—壳体耦合系统振动的固有特性及其随推力轴承刚度的变化规律，结果表明，推力轴承刚度改变了轴系纵振频率，对纵振能量传递有明显的影响，轴系纵向振动不仅会引起壳体的纵向共振，还会引起壳体的弯曲振动，形成轴—壳纵横耦合模态，轴的纵向振动控制可以减小耦合系统振动。Pan等［8］研究了螺旋桨激振力沿轴系到简支板的传递特性，螺旋桨的激振力通过试验方法得到，考虑推力轴承的油膜影响，测得推力轴承刚度与螺旋桨转速的关系，重点研究了伴流场引起的螺旋桨纵向激振力以及弹性板的振动响应。上述研究聚焦于螺旋桨激振力经轴系传递到艇体的规律，采用横舱壁作为推力轴承基座以达到潜艇减振降噪的目的，通过在轴系安装减振器、给推力轴承基座安装动力吸振器等方式，降低螺旋桨纵向激振力向艇体结构的传递。为了降低由螺旋桨纵向激振力引起的艇体结构振动和辐射噪声，兼顾潜艇内部布置、推力轴承基座沿纵向的位 移满足限制条件等要求，本文拟从结构振动传递路径的声学设计的角度出发，重新设计推力轴承基座的结构形式，使螺旋桨纵向激振力对称地作用到潜艇；并对整艇进行振动和辐射噪声分析，验证设计方法的有效性。

1 基本理论 1.1 结构—流体耦合方程

水下结构振动与辐射噪声问题是流体—结构1相互作用的流固耦合问题。考虑如图 所示的结构—流体相互作用系统：S0 表示弹性薄壳结构， Ω 表示流体外域，流体外域充满密度为 ρ0 的声0介质，其声速为 c0 ，若系统进入稳态，角频率为ω ，则波数 k0 = ω2/c0 。 z 对结构域进行有限元离散，对外域流体采用边界元法，以获得附加质量和阻尼系数，将附加质量和附加阻尼叠加至结构有限元质量矩阵和阻尼矩阵，建立考虑流体耦合作用的有限元结构动力响应方程，如式（1）所示，实现流固耦合计算，进而使用边界元方法计算结构的辐射声场： [-ω2 ( (C ]{}={ }（ 1 M + M )- iω + N )+ KS aˉ f ˉ ） S OA S OA式中：KS为结构刚度矩阵；M 为结构质量矩阵； S { CS为结构阻尼矩阵； { a ˉ}为节点位移向量； f ˉ} 为

直接作用在结构上的节点力；矩阵 M 和 NOA 分OA别为外域流体作用在结构所产生的附加质量和附加阻尼矩阵。一旦得到结构位移，可提取结构—外域流体交界面上的节点位移，从而得到物面法向位移向量，计算声场声压［3］。

1.2 噪声辐射能力衡量指标

为了衡量艇体结构的噪声辐射能力，采用壳体表面均方法向速度和辐射声压作为主要衡量指标。壳体表面的均方法向速度反映了壳体在流场中的结构响应，同时也表征了声源振动的平均速

图1流体—结构相互作用系统Fig.1 Fluid-structure interaction system