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基于单元基光滑点插值法的船舶外场声学研究

基于单元基光滑点插值法的船舶外场声学研究

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作者：徐有运大连理工大学

学位级别：硕士

船舶的辐射和散射噪声会对船上探测装备的性能、舱室的舒适性和舰船的隐蔽性产生重要影响,研究船舶辐射和散射噪声可以为优化船舶结构设计、增强船舶隐身性提供支持。近年来,数值模拟成为船舶噪声分析的一种有效方式,其中以有限元法(FEM... 详细信息

船舶的辐射和散射噪声会对船上探测装备的性能、舱室的舒适性和舰船的隐蔽性产生重要影响,研究船舶辐射和散射噪声可以为优化船舶结构设计、增强船舶隐身性提供支持。近年来,数值模拟成为船舶噪声分析的一种有效方式,其中以有限元法(FEM)和边界元法(BEM)为主;然而边界元法存在计算效率较低,有限元法存在模型刚度过硬和低阶单元计算精度较低的问题。单元基光滑点插值法(CS-PIM)作为一种新型数值计算方法,在低阶线性单元基础上采用梯度光滑技术软化模型刚度,能有效提高计算精度。本文基于新提出的CS-PIM的一种模型,即引入虚拟点的单元基光滑径向点插值法(CSRPIM),结合人工边界处理船舶外场声学问题。引入虚拟点的单元基光滑径向点插值法以背景网格单元作为光滑域,无需额外构造光滑域;同时在单元中心和边/面的中心引入虚拟点,结合梯度光滑技术和径向基形函数,显著提高了计算精度。人工边界是处理外场声学问题时一种常见的方式。本文分别将CSRPIM与DtN边界和PML两种广泛应用的人工边界方法相结合,提出了两种外场声学计算模型。通过辐射噪声的基本算例,发现CSRPIM与DtN结合的计算模型要优于CSRPIM与PML边界结合的计算模型,计算精度和声压分布更接近解析解。为了验证CSRPIM方法的优越性,采用CSRPIM-DtN计算模型计算了多个辐射噪声算例。数值结果表明,与传统有限元法相比,CSRPIM在高波数下具有更高的精度、收敛性、效率和稳定性,对波数的敏感性低,扩展了辐射噪声频率响应计算的频率范围。而且网格畸变对提出的数值模型没有显著影响,这使得该方法在处理复杂形状问题时具有优势。最后,将CSRPIM-DtN计算模型扩展到散射噪声分析。首先使用规则网格分析了在声学计算中非常重要的色散误差,结果表明CSRPIM的色散误差小于同等条件下有限元结果误差。对刚性物体单目标散射和多目标散射都进行了研究。数值结果表明,CSRPIM在处理散射噪声问题时同样具有较高的精度、收敛性和效率。而且CSRPIM在处理多目标散射问题时,能够识别反向散射波和预测回波时间,验证了该方法处理散射问题的优势。经过大量外场声学数值算例检验,CSRPIM方法比传统的有限元法具有更高的精度和效率,CSRPIM-DtN计算模型在处理外场声学问题时效果良好,具有广阔的工程应用前景。

关键词：外场声学单元基光滑点插值法人工边界色散误差系统刚度

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