水下振动台动态特性的研究

　　在现代战争中,海军显示出其强大的战斗力,为了适应现代战争要求,用先进的技术装备和检测手段装备海军已成为当务之急。而声纳传感器作为先进检测手段,在舰艇得到了广泛地应用,接收来自水下的声纳信号,从而判断是否有鱼雷或导弹等袭击过来。但由于船体运行时要产生振动,同时水的波动又引起传感器支架的振动,这有可能直接影响声纳传感器的工作。为了提高声纳传感器应用的可靠性,应对声纳传感器在水下振动环境特性进行试验研究。但由于现场试验需要动用大量的人力物力,试验环境比较危险,因此有必要研制能模拟船舰声纳传感器支架及水下振动特性的环境模拟试验装置。电磁振动台可以发出非常宽频带的振动信号,在模拟振动环境中得到广泛地应用。但由于振动台要在水下工作,而目前市场上生产的振动台大都不适合水下工作,这给设计提出了特殊的要求。

　　水下振动台的一个关键技术就是台面特性,它是保证水下振动环境模拟的关键。由于台面和水存在耦合,必然存在以下问题:

　　(1)振动台台面受到水的阻力,这个阻力到底有多大;

　　(2)振动台结构固有频率是否变化;

　　(3)振动台台面波形失真度是否变化;

　　(4)要使台面输出要求的振级,电动力大小要进行怎样的调整。

　　只有明确这几点,振动台的其它各项设计才能有目的的进行。因此,从推导振动台台面流固耦合运动方程出发,通过有限元方法,对台面在空气中振动和水中振动分别进行谐响应分析,分析表明,台面的设计必须充分考虑流固耦合的影响。

　　1 流固耦合有限元振动方程

　　1.1 流固耦合振动方程

　　现阶段对流固耦合系统分析有两种方法:一是解析-数值法,即对结构采用有限元离散,对流体则用近似解析描述,常用Geers的双渐进法[1](DDA);二是单纯的数值法,包括有限元法和边界元法。对线性流固耦合系统,有限元方法通常有两类:一类是结构和流体均以位移矢量为场变量的位移-位移格式[2];另一类是以结构位移矢量和流体场变量的混合型格式,如位移-压力格式[2]、位移-位移势格式[2]和位移-速度势[2,3]格式。根据所研究对象的特点,在此合理地假设流体为无粘、无旋、可压缩与小扰动的,并假定振动台浸入无限延伸的水中,结构则考虑为线弹性的。对流体采用压力格式描述,对结构采用位移格式描述。利用Galerkin加权余量法建立流体的有限元方程为[4]:

　　式中:N—流体单元形状函数矢量,N= [N1,N2,,,NM]T;

　　NS—流固接触面的形状函数矢量,NS= [NS1,NS2,,,NSM];

　　A—流体的阻尼矩阵;