基于ABAQUS声固耦合法的水下结构声辐射研究

　　1引言

　　声波是可以在水下远距离传播，对水下目标的探测以水声探测为主，因此，降低水下目标的辐射噪声和声目标特性，特别是降低水下目标的辐射噪声，成为提高水下目标隐蔽性的重点，也成为水下目标声隐身技术研究的重点和难点。

　　鉴于水下结构物结构十分复杂，辐射源多，互相耦合、相互影响，而海上测试费用高、难度大，存在一些不确定性。 随着计算机技术的发展，出现了很多大型的计算软件，并且不断完善，目前对水下结构声辐射的研究通常采用模型实验与数值仿真相结合的方法。 常见的数值法有球函数匹配展开法、有限差分法、有限元法、边界元法和无限元法等。 有关文献表明，国内大多采用有限元与边界元相结合的方法来计算结构的水下声辐射特性，并已取得了一定的成果[1-3]。而基于ABAQUS声固耦合算法的水下噪声辐射研究还未见有报道。使用声学介质来描述流体，利用声学方程模拟声波在流场中传播，将其与边界阻抗技术或声学无限元技术结合使用可以更好地模拟声波在无限水域的传播特性。 本文借助大型通用有限元软件 ABAQUS，使用声固耦合算法研究水下噪声辐射问题，通过与模型实验数据的对比证明了该方法的有效性。

　　2理论背景

　　2.1声学方程

　　把流体看成一种声学介质，即一种弹性介质，其中只存在与体积应变相关的压力，没有剪切应力，来模拟声传播问题。 但声学介质中有因流体粘性或多孔基体内流动流阻引起的速度耗散。 另外，声学介质还可以给出包括阻抗或反射的边界条件。 对于可压、绝热流体，考虑其流动动量损失的微幅运动平衡方程为

(1)

　　式中：p是流体超压;x是流体质点的空间坐标;u觶f是流体质点的速度;u咬f是流体质点的加速度;ρf是流体密度;γ是体积曳力(单位体积上的力与速度的比值);θi是与流体质点位置无关的而可能与ρf和γ有关的场变量，如流体的含盐度。 在根据达朗贝尔原理建立方程时假设流动是非定常的，因而没有考虑对流。而对于速度达到0.1马赫的定常流通常认为能够达到足够精度。对无粘、线性和可压缩流体，声学介质的动态压力是与体积模量和体积应变有关的，其本构方程为

(2)

　　式中Kf是流体的体积模量。即

(3)

　　式中εV是体积应变，εV=ε11+ε22+ε33。

　　2.2无限流场的模拟

　　由声学理论知，声音可以在一切弹性介质中传播，其本质是振动的传播。当振动在流体中传播时，形成压缩和伸张交替运动现象，所以声音在流体介质中表现为压缩波的传播，即纵波[4]。由于声波在水中传播衰减很慢，因而需要建立无限大的流场模型，显然这样是不现实的。而对于有限流场，由于边界阻抗的存在，在流场的边界必然存在着声波的反射。因而，需要采用其他的方法来解决这个问题。本文采用两种不同的技术来模拟无限流场：边界阻抗技术和声学无限单元技术。