基于Abaqus水声固定式测量系统的仿真分析

摘 要：相对于传统的海洋航行噪声测量方式及系统布置，水声固定式测量系统具有稳定性好、传感器类型多等优点。在利用Abaqus有限元分析平台中的CFD和显示动力学模块对该系统进行了联合仿真计算基础之上，得出了该系统工作绕流场信息、固有频率和某些特征点处的振动情况，仿真计算结果为系统的进一步升级以及未来的固定试验场测量平台搭建提供了有用信息。

关键词：Abaqus；固定式测量系统；仿真

引言

近年来，我国舰船噪声测量工作逐渐发展，诸如利用矢量水听器、多元阵、体积阵等新的测量形式、测量方法逐渐被投入使用。同样，文章所介绍的水声静态测量系统也是随着行业进步而发展出来的一套完整、有效、创新的噪声测量系统。目前，美国、俄罗斯等海洋强国均有自己的噪声测量固定试验场[1]。背景良好的噪声固定试验场可以加快测量工作的效率、加强测量数据准确性，而相对来说我国的舰船噪声测试工作还没有在固定试验场持续稳定展开。文章所介绍水声固定式测量系统作为未来噪声测量固定试验场建设的预演项目，已经被证实是一套可以有效测量舰船噪声的可靠系统。从工作空间来说，该系统分为干端和湿端，如图1所示，为系统一个湿端组成模块模型图及其网格划分，中部以下圆柱部分为电子舱，用于放置采集器等部件，底部为配重雪橇，其余结构为系统支架。各类不同类型的传感器布置于支架圆环中部，通过电缆将噪声信号传至电子舱内采集设备，继而通过海洋通信电缆将数据传至岸站进行进一步处理。文章的计算平台为Abaqus通用有限元软件，该软件功能强大，其解决问题的覆盖范围可以从相对简单的线性问题到复杂的非线性问题，从单一物理场分析到耦合场分析，现已成为国际上用户群最广的有限元分析软件之一。

水声固定式测量系统的工作环境为复杂的海洋环境，我们在利用该系统对舰船噪声进行测量时，会关注其水密性、稳定性以及结构振动特性。水密性主要是针对于电子舱而言，稳定性则和振动特性密切相关。对于电子舱内的电子设备来说，如果发生问题，将系统送至岸站进行修理调试非常不方便，因此保持其工作稳定性是尤为 重要的，而系统的振动信息对于保持系统工作稳定性则起到关键作用。文章基于已有研究的基础之上，利用有限元软件Abaqus对该系统模块进行仿真计算，得出的结论对系统升级及固定试验场测量系统设计提供了一定思路。

1 数值模型

采用Abaqus Part对一个湿端结构进行参数化建模。仿真参数设置为：模型整体纵向特征尺寸为3.5m，电子舱高度0.8m，直径为0.5m，支架和电子舱材料为钛合金，密度4500kg/m3，弹性模量，泊松比为0.35。系统底部Part为配重雪橇，用于在海洋中对系统进行固定。其特征长度为1m，宽度为0.3m，底座圆柱高度为0.25m。材料为结构钢材，密度7980kg/m3，弹性模量126GPa，泊松比为0.3。

利用有限元方法对振动等结构动力学问题进行计算是被证实是非常有效的。Abaqus采用中心差分法进行动力学计算，王树涛等[3]利用该方法对船舶碰撞过程进行数值仿真，对该方法处理问题的实用性进行了验证。

振动分析的求解方程为动力学方程，即：

我们所研究目标结构的质量是连续分布的，惯性力也是连续分布的，所以对其无限个自由度所确定的振动体系求解是十分困难的，根据有限元法的思想，将结构体离散化，将无限自由度近似的用有限自由度来代替，其外力和位移都可以用时间函数来表示。

由于系统支架部分特征尺寸远大于边长度，因此支架采用壳单元进行计算，电子舱和配重雪橇则采用实体单元。划分后共124097个单元，3246个节点。

2 测量系统仿真计算

为了能够准确得到动力学分析下的结构响应，我们首先要准确输入外载荷，在这里，我们利用Abaqus CFD（计算流体力学）模块对系统工作流场信息进行计算。Abauqs自6.10版本之后，增加了CFD（计算流体力学）模块，而结合标准模块和CFD模块进行多物理场分析则是该有限元平台一大特色，岑毅[2]利用该模块对流体流经带孔平板脉动压力进行了计算，得出与实验相吻合的结果，证实了该模块在计算流场信息方面的准确性。计算流体力学是用离散化方法和计算机对流体无粘绕流和黏性流体进行计算的方法。其核心方程式流体连续性方程、动量方程和能量方程[2]。在本计算模块中，是用有限体积法结合有限元方法对绕流场进行计算。流体创建为海水属性，密度为1025kg/mm，如图2所示为流体域的网格划分及脉动压力云图，全部采用流体网格，左侧边界设置为进口，右侧边界设置为出口，上边界设置为压力为0的自由液面。海水流速为20m/s。

可以看到流场不同位置处的脉动压力变化情况。将压力脉动流体节点和系统节点对应相对应，并导入Abaqus动力学分析，即将相应节点处的压力结果作为力学边界输入条件。除了以上海洋载荷作用，电子舱内设备、系统各组成部分非刚性连接处都会存在质量和力的分布。舱内设备空间分布的载荷通过在电子舱内节点处施加质量点和螺栓预紧力来进行模拟，电子舱和支架采用刚性连接，并在八个边缘处施加弹性连接用以模拟减振塑胶进行结构耦合。在进行动力学分析之前，首先要对系统模型进行模态分析。结构的模态分析的作用是确定其振动特性，振动特性便是结构的固有频率和阵型，在动力学计算当中，是用来确定结构承受动态载荷设计中的重要参数和其他不同激励作用下的动力学分析的基础。在外界激励频率和固有频率相同时，会使系统发生共振，共振对于系统稳定性的影响要远远大于随机激励载荷的作用，极大程度上影响系统的使用效能。从动力学方程角度来说，固有频率是结构无阻尼自由振动频率，即满足：

方程（2）参数与（1）一致。基于该方程，可以求解出系统基于质量矩阵和刚度矩阵的特征值和特征向量，从而得出结构振动的一种特定的位移形式，称之为模态或阵型。Abaqus提供三种求解器求解方程特征值，分别为Lanczos、Subspace和AMS求解器，两种动态响应求解方法，分别为阵型叠加法和直接积分法。对配重雪橇底部采用6个自由度均为0的绝对限制边界条件，对系统进行最高频率为1000Hz的模态分析。系统模块第一阶频率为1.25Hz，1000Hz对应的阶数为第170阶。在这里给出系统第20阶47Hz的阵型前后比较如图3所示。

3 仿真结果及分析

钛合金材料在流体作用下往往不太容易发生流固耦合[4]，从而整体结构不会出现过大的变形，在这里由于篇幅的限制，仅给出我们比较关心的特征位置点处的振动情况。

在电子舱舱盖外部，会放置水密接头，通过螺栓和电子舱舱盖进行固定，其作用是将外部传感器获得的信号传递至内部电子舱，在支架三个圆环中部，会放置各类传感器，这些传感器通过弹性链接与支架相互作用，水密接头节点处的振动对电子舱的水密性能存在一定影响，圆环与传感器弹性连接位置处的节点振动会导致连接橡胶的抖动，从而影响传感器的测量效果。

对以上位置处的振动信息进行分析，并在系统升级时进行相应的优化是非常重要的，在这里，首先给出电子舱舱盖中部节点振动位移情况如图4所示。

给出最高层圆环处传感器固定弹性连接与圆环相交节点处振动情况如图5所示。

给出相对应中部圆环节点处的振动位移，如图6所示。

给出底部响应节点处的振动位移可以从图中得到的信息是：比较舱盖节点和圆环节点，绕流场脉动压力和流速变化较大的区域，其动力学振动响应也比较明显，比较不同圆环相应节点响应，第三个圆环处和前两个相比，出现宽频带位移变化较大的情况，但实际上该位置处的流场载荷并不是最大的，说明该节点处在特征频段内发生了共振。共振对结构的影响往往比较大[5]，在以上节点位置，均出现不同频率下的振动位移极具变化，在进行系统结构升级设计过程中，对于保持系统水密性和实用稳定性，应尽力将输入载荷考虑周全，避免结构出现共振从而引起过大的变形。

4 结束语

文章首先对水声静态测量系统的结构特性和工作流程进行了基本介绍，并通过Abaqus CFD及显示动力学联合仿真对该系统的组成单一模块进行了数值计算。

通过模态计算给出了1000Hz以下系统模块的固有频率和阵型。通过CFD计算给出了系统工作绕流场的基本信息，通过显示动力学计算得出了我们比较关心的系统模块特定节点振动位移，结果显示传感器放置位置处流场有着非常强的脉动压力，相应位置处的动力学响应也比较大。在某些频率位置处，节点存在明显的共振作用，在进行下一步系统升级时应充分考虑载荷作用，尽量避免将传感器放置于脉动压力较大的区域，并尽量避开共振影响。

参考文献

[1]刘兴章.美国潜艇水声试验现场现状及启示[J].舰船科学技术，2011，33（2）：140-143.

[2]岑毅.基Abaqus＼CFD流体力学分析[J].Information Science，2013，94：199-200.

[3]杨树涛，姚雄亮.基于Abaqus的船舶搁浅数值仿真研究[J].中国舰船研究，2009，4（4）：1-6

[4]刘世明，金武雷.钛合金导流罩结构抗冲击能力计算[J].中国舰船研究，2012，7（5）：6-10.

[5]唐友刚，郑俊武.船舶内共振动力学的研究[J].中国造船，1998，4（143）：19-23.

作者简介：郭和平（1990-），男，大连测控技术研究所助理工程师，硕士学位，主要研究方向为舰船噪声源识别。