摘 要

水下航行器的振动特性研究是其改善振动和噪音影响的一个基础环节，而其振动和噪音水平高低直接决定了水下航行器的性能高低，提高水下航行器的隐身性能是其设计和优化的重要环节。在上世纪前人的研究中，大多集中在研究单个壳体、加筋或加肋壳体、单一轴系等等的结构振动特性，近年来，逐渐有学者考虑到，艇体的结构复杂性对于艇体振动特性的有着不可忽视的影响，慢慢出现了不少关于组合壳体、轴系-组合壳体等等耦合结构振动特性的研究。对于结构边界条件的设置上，一般采取经典边界（简支、固支、自由）或非经典条件（如弹性边界）中的一种，关于不同边界条件下艇体结构振动特性的研究不是很常见。因此本文将深入分析研究不同边界条件下艇体结构自由振动和受迫振动特性。

考虑实际情况，采用较为常见且高效的数值法中的有限元法对桨-轴-艇耦合结构进行建模并分析。首先展示了关于ANSYS建模的图形用户界面GUI操作路径以及相应的图示，其次对比分析了前20阶的固有频率，结果分析的部分结论有：在壳两端的约束越多，其固有频率也随之增加；在大端加约束比在小端加约束对固有频率的影响大。最后分析了在施加螺旋桨纵向单位激励下，不同边界条件对艇体振动响应结果的影响，分析得出共振峰的幅值高点的一般集中在低频。本文的研究内容为艇体结构的设计和优化上提供了一点参考。

关键词：边界条件；推进轴系；艇体结构；耦合系统；振动特性

Abstract

The study of the vibration characteristics of underwater vehicles is a basic link to improve their vibration and noise. The level of vibration and noise directly determines the performance of underwater vehicles. Improving the stealth performance of underwater vehicles is its design and optimization. An important part. In the previous studies of the last century, most of them focused on the structural vibration characteristics of single shells, reinforced or ribbed shells, single shaft systems, etc. In recent years, some scholars have considered the structural complexity of the hull. For the non-negligible influence of the vibration characteristics of the hull, a lot of researches on the vibration characteristics of the coupled structure, the shaft-combined shell and so on have emerged. For the setting of structural boundary conditions, one of the classical boundary or non-classical conditions is generally adopted in the past. This paper will deeply analyze the free vibration and vibration characteristics of the hull structure under different boundary conditions.

Considering the actual situation, the finite element method in the more common and efficient numerical method is used to model and analyze the paddle-shaft-boat coupling structure. Firstly, the GUI operation path and corresponding diagrams of ANSYS modeling are presented. Secondly, the natural frequencies of the first 20 orders are analyzed. The conclusions of the analysis are as follows: the more the constraints at the two ends of the shell, the more the natural frequencies increase. Adding a constraint at the big end is more important than adding a constraint at the small end to the natural frequency. Finally, the influence of different boundary conditions on the vibration response of the hull under the longitudinal unit excitation of the propeller is analyzed. It is found that the high point of the amplitude of the formant is generally concentrated in the low frequency. The research content of this paper provides a reference for the design and optimization of the hull structure.

Key Words：The boundary conditions；Propulsion shafting；Hull Structure；Coupling System；Vibration Characteristic

目 录

第1章 绪论 1

1.1 设计的目的及其意义 1

1.2 国内外研究状况 2

1.2.1 螺旋桨激励对轴系-壳体耦合结构振动的影响 3

1.2.1 轴系-艇体耦合系统振动的研究概述 3

1.3 本文研究的内容、拟采用的技术方案及其措施 5

1.3.1 研究的基本内容 5

1.3.2 研究拟采用的技术方案及其措施 5

第2章 轴系-艇体结构的建模 8

2.1 引言 8

2.2 轴系-艇体模型的建立 8

2.3 本章小结 18

第3章 艇体系统模型的振动特性分析 19

3.1 引言 19

3.2 不同边界条件下轴-壳耦合系统自由振动特性分析 19

3.2.1 不同边界条件与固有频率的关系 20

3.2.2 轴系-壳耦合模态 22

3.3 不同边界条件及螺旋桨激励下艇体系统受迫振动响应结果 23

3.4 本章小结 27

第4章 总结与展望 28

4.1 全文工作总结 28

4.2 创新点 28

4.3 研究展望 28

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 设计的目的及其意义

壳体结构的应用在航空航天工程和船舶与海洋工程中都广泛的存在，在民用方面的飞机、船舶、通信卫星等等，军事方面的导弹、军舰、“水中导弹”鱼雷、潜艇等等，都有着广泛的应用，对其进行结构动力学特性分析研究对于这些工程上的应用是具有十分重要的理论支撑意义以及实际应用价值。

我国既是陆地面积辽阔的国家，也是海域面积十分辽阔的国家。随着共产党领导下的改革开放到现在几十年以来，中国的综合国力极大的提高增长了，在现代社会的海权时代中，海洋战略是各国重要的战略基础，我国海洋面积占国土面积比例不小，是拥有着广泛的海洋战略利益的。在近海和远海中都存在保卫祖国的利益需求。水下航行器拥有独特的优势，其隐蔽性和攻击能力都是十分强大的，这样的特点和优势决定了，在习近平总书记提出的推进海洋强国建设的号召下，潜艇这种攻击和防卫作用的水下航行器凭借其独特的优势，在推进海洋强国建设的过程中，发展水下航行器，掌握并能自主研发其核心技术对于我国的海防战略中有着不言而喻的重要意义。