Расчет акустических и вибрационных характеристик торпеды

Реферат

Перечень ключевых сокращений:

ГС - головка самонаведения; БЗО - боевое зарядное отделение; АСН - аппаратура самонаведения; ГТА - газотурбинный агрегат; РО - резервуарное отделение; КО - кормовое отделение; ХЧ - хвостовая часть; ГТЗА - газо-турбозубчатый агрегат; ВАХ - виброакустическая характеристика.

Цель работы - разработать и апробировать метод акустического проектирования подводного аппарата на средних и высоких частотах звукового диапазона.

Работа выполнена с помощью пакета AutoSea.

Введение

торпеда виброакустический моделирование

Целью данной работы является разработка и апробация метода акустического проектирования виброакустических характеристик (ВАХ) применительно к подводному аппарату на средних и высоких частотах звукового диапазона. На таких частотах широко применимы методы энергостатистического анализа (ЭСА). Однако их использование для сложных инженерных конструкций требует большого объема подготовительных и вычислительных операций. В этой связи, последнее время, в инженерных расчетах широкое распространение имеют системы автоматического проектирования (САПР). Примером такой САПР для анализа ВАХ сложных конструкций на средних и высоких частотах является программный пакет AutoSEA2, который автоматизирует методы расчета на основе энергостатистического анализа систем.следует отнести к методу конечно элементного анализа - конструкция разбивается на конечные элементы, обычно совпадающие с габаритами отдельных элементов конструкций, вибрация которых, можно считать, имеет диффузный характер.

1. Задание пространственной модели конструкции

Конструкция разбивается на конечные элементы. Задаются габаритные характеристики конечных элементов и характеристики материалов.

Определяются граничные условия стыковки элементов, путем задания типов соединения. Например, в случае подводного аппарата это могут быть отдельные отсеки, разделенные переборками или фланцами.

Рис.1. Общий вид торпеды

Общий вид торпеды с ее составными частями: все составные части выполнены из стали с разными толщинами. Головка самонаведения, боевое зарядное отделение (БЗО) толщиной 3.5 мм, резервуарное отделение (РО) толщиной 12.6 мм, гидростатическое отделение (ГО) и кормовое отделение (КО) толщиной 4 мм. Перегородки между отсеками выполнены из того же материала толщинами 4 мм. Отсеки между собой соединяются фланцами толщиной 30 мм. и шириною 20 мм.

Головка самонаведения с фланцами показана на рис. 2.

Рис.2. ГС с фланцами

Отделение БЗО в торпеде заполнено взрывчатым веществом.

Рис. 3. Отдел БЗО

Для корректного расчета акустического поля и вибрации необходимо в построенной модели задать акустические объемы и задать связи между элементами конструкции.

Для того чтобы вся система сообщалась между собой по водному пространству, необходимо задать окружающую среду. Окружающая среда задается из «бумажных» пластин толщиною 0.1мм, из которых задаются объемы. Материал окружающей среды выбран таким, поскольку через тонкий лист бумаги звук может проходить беспрепятственно, а это важно для сообщения водных объемов. На рис. 4 показана среда, окружающая торпеду. Внешняя среда выполнена конструктивно из пластин с разбиением на отдельные части (5 штук рис.4.). Каждый отсек соединяется со своим объемом окружающей среды.

Рис.4. Торпеда с окружающей средой.

На рис.5 показана ГС и БЗО с заданной водной средой. «Бумажные» пластины, которые соединяют водные объемы, выполнены из 2-х частей и с полукругом в центре. Внешние «бумажные» пластины - цельные.

Рис. 5. ГС с заданной водной средой

На рис. 8 показан один из объемов водной среды. Хорошо видно сквозное отверстие в водной среде.

Рис. 6. Водный объем

Гидрофон расположен в водной среде на расстоянии 50м от торпеды на оси.

Рис. 7. Общий вид торпеды с гидрофоном

Гидрофон соединяется с объемами самой торпеды, с объемами водного пространства, с пластинами из которых состоит торпеда.1.1 Задание источников шума

В торпеде источниками шума и вибрации являются Газотурбинный двигатель (ГТА), редуктор, 4 лопасти винта и обтекание набегающим потоком головной части и оперения.

Мощность используемого ГТА в торпеде составляет 430 кВт, число оборотов турбины двигателя 25000 об/мин, число оборотов входного вала 1670 об/мин.

Для газотурбинного двигателя различают шум турбины при всасывании, и шум турбины при выдуве соответственно [4, стр 163]:

Gt - расход воздуха [кг/с]

Табл.1. Уровни шума ГТА

Рис.8. Частотная характеристика уровней звуковой мощности воздушного шума электродвигателя.

Воздушный шум ГТА всасывания приложен к гидростатическому отделению, а шум ГТА выдува приложен к кормовому отделению.

Рис.9. Гидростатическое и кормовое отделение с ГТА.

Табл.2. Уровни шума редуктора. [3, стр. 224].

Рис. 10. Шум редуктора

Воздушный шум редуктора приложен к кормовому отделению.

Рис. 11. Кормовое отделение с редуктором.

Табл.3. Уровни вибрации редуктора. [3, стр. 224].

Рис. 12. Вибрация редуктора

Вибрация редуктора приложена к круговым балкам, расположенным по краям кормового отделения.

Рис. 13. Кормовое отделение с приложенной вибрационной нагрузкой и шумом.

Шум, обусловленный нестационарными давлениями на винте - эта составляющая шумов обтекания несущей поверхности связана главным образом с нестационарностью натекающего на профиль потока. Нестационарность натекающего потока являетстя причиной возникновения на профиле нестационарных изменений угла атаки. В акустическом аспекте обтекание рассматривается как достаточно мощный источник шумов. Таким образом, сущность акустических аспектов данной проблемы заключается в определении переменного во времени распределения нестационарных давлений по поверхности профиля, которые обусловлены нестационарными флуктуациями набегающего на профиль турбулентного потока.

Частотная характеристика шума, обусловленного турбулентностью натекающего потока, на самых низких частотах растет пропорционально квадрату частоты, на средних - как первая степень частоты, а на самых высоких - обратно пропорционально частоте. [1].

где С - хорда крыла, U - скорость набегающего потока,  - масштаб турбулентности.

Окружную скорость вращения лопастей винта переводим в поступательную, считая диаметр винта 440 мм. Получаем скорость набегающего потока на лопасти винта U=80 м/с.

Рис. 14. Приведенное значение шумов, обусловленных нестационарными давлениями на винте.

Скорость движения торпеды 45 узлов (23 м/с).

На рис. 15 показана головка самонаведения с шумом обтекания. Поскольку известна скорость движения торпеды под водой U=23 м/с, программа AutoSEA2 позволяет автоматически рассчитать шум набегающего потока.

Рис. 15. ГС с приложенной нагрузкой (обтекание)

Рис. 16. Задание шумов обтекания ГС

Аналогично заданию шума обтекания ГС, задается шум обтекания перьев, создаваемый турбулентным набегающим потоком:

Рис. 17. оперение с приложенной нагрузкой (обтекание)

1.2 Шумы моря

Полученные результаты расчетов шумов торпеды сравниваются с шумами моря. [2].

Табл. 4 Уровни шума моря

Рис.17. Частотная характеристика шумов моря

Видно, что на очень низких частотах (1 - 10 Гц) наблюдается крутой наклон спектральной плотности до 8 - 10 дБ/окт. Вероятными источниками этих шумов является крупномасштабная океаническая турбулентность, отдаленные штормы и сейсмические явления.

Шумы в диапазоне частот 10 - 500 Гц характерны максимумам в области 50 - 80 Гц и связываются с шумами судоходства.

Шумы в наиболее изученной области частот 500 Гц - 2500 Гц обусловлены, в основном, поверхностными шумами. К ним относятся волнение моря, шум дождя и т.п. На частотах ~ 50 Гц и выше основными являются тепловые шумы, связанные с движением молекул водной среды.

2. Анализ полученных результатов

.1 Анализ внешнего шума

Торпеда движется со скоростью 23 м/с, гидрофон расположен на расстоянии 50 метров по оси от торпеды.

Рис.18. Сравнение шумов торпеды с шумами моря

На основании анализа полученных результатов расчетов были приняты меры по снижению вибраций и увеличению звукоизоляции корпуса. Главным источником шума и вибрации является редуктор и ГТА. Для снижения шума корпуса были применены покрытия типа «sandwich». Так же были увеличены толщины переборок до 50х50 мм., и произведена виброизоляция редуктора.

Снижение вибрации редуктора [ ].

Где:

М - масса двигателя

К - жесткость амортизатора

Табл. 5 Виброизоляция редуктора.

f0 = 25 Гц - для редуктора используемого в расчете.

После повторного пересчета:

Рис.19. Сравнение шумов торпеды с шумами моря (повторный расчет).

Определим составляющие шума торпеды (до и после применения противошумового корпуса).

.2 Анализ структурной помехи АСН

Оценка уровней вибрации носовой части торпеды.

Рис.21. Уровни вибрации ГС.

Заключение

В данной работе был разработан и апробирован автоматизированный комплекс расчета ВАХ торпеды на основе программного продукта AutoSEA2. Была показана работоспособность разработанного комплекса.

Рассчитаны и приведены в виде графиков уровни шума торпеды на расстоянии 50 метров, уровни вибраций ГС.

Проведя анализ полученных результатов можно сделать вывод, что большое влияние на конечный результат оказывает способ моделирования воздушного шума двигателя, шума и вибрации редуктора, а также вибрации, создаваемые лопастями винта. Для получения наиболее точных и достоверных результатов можно порекомендовать совмещать расчет в AutoSEA2 и натурные измерения на опытных образцах.

Список использованной литературы.

1. А.В. Смольяков «Шум турбулентных потоков».

. А.В. Авринский «Распространение звука в море», Спб., центр СпбГМТУ, 2003 г.

. М. Хекл, Х.А. Мюллер «Справочник по технической акустике», Л., Судостроение, 1980 г.

. И. И. Боголепов, И. И. Клюкин « Справочник по судовой акустике», Л., Судостроение, 1978 г.