拖曳锚链涡激振动理论分析thevortexinducedvibrationtheoreticalanalysisofth
摘 要 摘 要拖曳线列阵声呐在船舶方面应用非常广泛，可以利用它进行反潜作战、海洋水文和资源的勘探，拖曳线列阵声呐有许多的优点，它拖在水中工作，不会受船自身噪声的影响，拥有线列基阵能够很好地接收信号。但是拖曳锚链在水下工作时，水流经过锚链时会产生分离进而会产生涡激振动，振动产生的噪声会干扰拖曳阵列声纳接收信号的下降，所以要研究拖曳锚链涡激振动的原理，涡激振动的产生条件，分析结果使拖曳锚链能够尽量避免涡激振动发生，使拖曳阵列声纳达到接收信号的最佳状态。首先，了解涡激振动的产生原理和条件，再利用ANSYS软件对拖曳锚链建立模型，计算出锚链的固有频率,仿真分析在四种流速情况下泻涡频率和响应频率的大小，分析频率曲线图得知在一定频率范围内极有可能会产生涡激振动。关键词拖曳线列阵声纳，涡激振动，泻涡频率，响应频率，ANSYS
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景目的及意义 1
1.2 拖曳锚链涡激振动的发展和研究状况 2
1.3拖曳线列阵声纳简介 2
1.4主要研究内容 3
1.5 本章小结 4
第二章 拖曳锚链涡激振动研究 5
2.1 拖曳锚链涡激振动的主要参数 5
2.2涡激振动产生条件 7
2.3涡激振动研究方法 8
2.4本章小结 11
第三章 利用ANSYS进行仿真模拟 12
3.1 ANSYS软件分析步骤 12
3.2建立拖曳锚链模型 13
3.2.1建立模型假设条件 13
3.2.2建立模型 14
3.3拖曳锚链固有频率计算与模态分析 17
3.4四种流速下流场流线变化与压力云图分析 18
3.5四种流速下拖曳锚链泻涡频率分析 20
3.6四种流速下拖曳锚链涡激振动响应频率分析 23
3.7四种流速下拖曳锚链稳态时的最大变形分析 31
3.8本章小结 36
结论 37
致谢 39
参考文献 40
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景目的及意义
拖曳线列阵声呐是一种用来探测水下潜艇和水面舰艇位置等信息的工具，它在海上军事作战方面扮演着重要的角色。而且拖曳线列阵声纳在海洋资源勘探方面和海洋水文方面运用也非常广泛。早在20世纪50年代，美国、英国等国家就十分重视声纳设备的研制。到了70年代，为了满足需要，发达国家开始研制机动能力更强，覆盖海域更广的声纳，于是便发展出了拖曳线列阵声纳这种新型的声纳设备，这种声纳不仅能使水面舰艇和潜艇较大提高了作用距离，还能固定在船上，并随船运动，弥补了海岸固定声纳的不足。拖曳线列阵声纳与普通声纳相比，虽然都是用来帮舰艇和潜艇探测信号，但是普通声纳的基阵是集中分布的，水听器是集中分布在一小段铁链上的，所以水听器的数目会受到拖曳铁链体积的影响，而拖曳线列阵声纳却是分布全身的，它是一根具有弹性的铁链，特点是信号探测基元是分布在它全身，不受体积限制，而且铁链的长度可以无限延长，一般拖曳线列阵铁链很长，有的长度甚至超过800米，长度越长所安装的信号探测基元就越多，越多的信号探测基元一起工作，产生的效果也越好，拖曳线列阵声纳在探测接收信号方面明显高于普通声纳与拖曳声纳。
随着现代高科技地发展，潜艇在水下航行时的噪声越来越小，这对水面舰艇反潜造成了更大的困难，而且舰艇在水面运动，潜艇在水下运动，这造成了水面舰艇产生的噪声往往高于潜艇在水下产生的噪声，水面舰艇的声纳设备一般是主动探测外界信号的，所以导致潜艇往往会先发现舰艇，这样对舰艇的反潜工作非常不利。但如果在水面舰艇上安装了拖曳线列阵声纳，因为声纳是拖在水里工作的，这样既克服了本舰噪声的干扰，又可以通过线列基阵的优点使信号接收达到更好的效果，即使舰艇在水面上，也完全有可能先发现藏在水下的潜艇，达到一种反潜的效果。但是拖曳锚链在水中运动时，水流流过锚链表面会产生涡激振动，振动产生的噪声会干扰声纳信号的接收[1]，研究表明，涡激振动产生的噪声对拖曳线列阵声纳的信号接收有一定的影响[2]，在现代日益追求精确的趋势下，为了使声纳能够更好地接受信号，不会有噪声的干扰，就必须深入研究拖曳锚链在水下产生涡激振动的过程，让铁链尽可能地避免涡激振动的产生，使拖曳线列阵声纳能够更准确的接收信号，帮助舰艇在海上作战接受信息更加准确，在海洋资源勘探方面也更加精确。
1.2 拖曳锚链涡激振动的发展和研究状况
涡激振动是一种典型的水弹性耦合振动问题[3]，跟流体力学和结构力学都有重要的关系。国外对这方面的研究大部分是在圆柱形结构的物体上，但是铁链是具有柔性的物体，它的涡激振动情况要比刚性圆柱体复杂很多。目前我国现在对弹性结构物体涡激振动的研究报导不多。由于受到实验条件和设备的限制，不能很好地模拟出铁链涡激振动这一水弹性耦合振动实验，而且一些相关的理论文献较少，不能提供较多的理论依据，这对拖曳锚链涡激振动的研究造成了一定的难度。涡激振动是流体—结构物相互作用问题，即在涡激振动过程中，流体的动压力是作为一种外加载荷作用于弹性系统的表面，使柔性物体发生变形，柔性物体发生变形后产生振动又会改变动压力的大小，这两者之间不断相互产生作用和影响。所以说涡激振动是一个非常复杂的过程，而且与刚性圆柱体相比，锚链是在水中产生的涡激振动更加的复杂，同时也增加了研究的难度。
1.3拖曳线列阵声纳简介
拖曳线列阵声纳的工作原理如图11所示：
/
图11 拖曳线列阵声纳工作原理
它是由许许多多的信号探测基元在锚链上组成的线列基阵，固定在船尾拖在水中探测信号。拖曳线列阵声纳是连接在船的尾部拖在水中工作的，它和普通声纳相比更节省船上的空间，而且能够避免来自舰艇本身产生的噪声[4]。但是拖曳锚链在随船运动时会产生涡激振动，振动原理如图12所示：
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图12 涡激振动原理
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景目的及意义 1
1.2 拖曳锚链涡激振动的发展和研究状况 2
1.3拖曳线列阵声纳简介 2
1.4主要研究内容 3
1.5 本章小结 4
第二章 拖曳锚链涡激振动研究 5
2.1 拖曳锚链涡激振动的主要参数 5
2.2涡激振动产生条件 7
2.3涡激振动研究方法 8
2.4本章小结 11
第三章 利用ANSYS进行仿真模拟 12
3.1 ANSYS软件分析步骤 12
3.2建立拖曳锚链模型 13
3.2.1建立模型假设条件 13
3.2.2建立模型 14
3.3拖曳锚链固有频率计算与模态分析 17
3.4四种流速下流场流线变化与压力云图分析 18
3.5四种流速下拖曳锚链泻涡频率分析 20
3.6四种流速下拖曳锚链涡激振动响应频率分析 23
3.7四种流速下拖曳锚链稳态时的最大变形分析 31
3.8本章小结 36
结论 37
致谢 39
参考文献 40
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景目的及意义
拖曳线列阵声呐是一种用来探测水下潜艇和水面舰艇位置等信息的工具，它在海上军事作战方面扮演着重要的角色。而且拖曳线列阵声纳在海洋资源勘探方面和海洋水文方面运用也非常广泛。早在20世纪50年代，美国、英国等国家就十分重视声纳设备的研制。到了70年代，为了满足需要，发达国家开始研制机动能力更强，覆盖海域更广的声纳，于是便发展出了拖曳线列阵声纳这种新型的声纳设备，这种声纳不仅能使水面舰艇和潜艇较大提高了作用距离，还能固定在船上，并随船运动，弥补了海岸固定声纳的不足。拖曳线列阵声纳与普通声纳相比，虽然都是用来帮舰艇和潜艇探测信号，但是普通声纳的基阵是集中分布的，水听器是集中分布在一小段铁链上的，所以水听器的数目会受到拖曳铁链体积的影响，而拖曳线列阵声纳却是分布全身的，它是一根具有弹性的铁链，特点是信号探测基元是分布在它全身，不受体积限制，而且铁链的长度可以无限延长，一般拖曳线列阵铁链很长，有的长度甚至超过800米，长度越长所安装的信号探测基元就越多，越多的信号探测基元一起工作，产生的效果也越好，拖曳线列阵声纳在探测接收信号方面明显高于普通声纳与拖曳声纳。
随着现代高科技地发展，潜艇在水下航行时的噪声越来越小，这对水面舰艇反潜造成了更大的困难，而且舰艇在水面运动，潜艇在水下运动，这造成了水面舰艇产生的噪声往往高于潜艇在水下产生的噪声，水面舰艇的声纳设备一般是主动探测外界信号的，所以导致潜艇往往会先发现舰艇，这样对舰艇的反潜工作非常不利。但如果在水面舰艇上安装了拖曳线列阵声纳，因为声纳是拖在水里工作的，这样既克服了本舰噪声的干扰，又可以通过线列基阵的优点使信号接收达到更好的效果，即使舰艇在水面上，也完全有可能先发现藏在水下的潜艇，达到一种反潜的效果。但是拖曳锚链在水中运动时，水流流过锚链表面会产生涡激振动，振动产生的噪声会干扰声纳信号的接收[1]，研究表明，涡激振动产生的噪声对拖曳线列阵声纳的信号接收有一定的影响[2]，在现代日益追求精确的趋势下，为了使声纳能够更好地接受信号，不会有噪声的干扰，就必须深入研究拖曳锚链在水下产生涡激振动的过程，让铁链尽可能地避免涡激振动的产生，使拖曳线列阵声纳能够更准确的接收信号，帮助舰艇在海上作战接受信息更加准确，在海洋资源勘探方面也更加精确。
1.2 拖曳锚链涡激振动的发展和研究状况
涡激振动是一种典型的水弹性耦合振动问题[3]，跟流体力学和结构力学都有重要的关系。国外对这方面的研究大部分是在圆柱形结构的物体上，但是铁链是具有柔性的物体，它的涡激振动情况要比刚性圆柱体复杂很多。目前我国现在对弹性结构物体涡激振动的研究报导不多。由于受到实验条件和设备的限制，不能很好地模拟出铁链涡激振动这一水弹性耦合振动实验，而且一些相关的理论文献较少，不能提供较多的理论依据，这对拖曳锚链涡激振动的研究造成了一定的难度。涡激振动是流体—结构物相互作用问题，即在涡激振动过程中，流体的动压力是作为一种外加载荷作用于弹性系统的表面，使柔性物体发生变形，柔性物体发生变形后产生振动又会改变动压力的大小，这两者之间不断相互产生作用和影响。所以说涡激振动是一个非常复杂的过程，而且与刚性圆柱体相比，锚链是在水中产生的涡激振动更加的复杂，同时也增加了研究的难度。
1.3拖曳线列阵声纳简介
拖曳线列阵声纳的工作原理如图11所示：
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图11 拖曳线列阵声纳工作原理
它是由许许多多的信号探测基元在锚链上组成的线列基阵，固定在船尾拖在水中探测信号。拖曳线列阵声纳是连接在船的尾部拖在水中工作的，它和普通声纳相比更节省船上的空间，而且能够避免来自舰艇本身产生的噪声[4]。但是拖曳锚链在随船运动时会产生涡激振动，振动原理如图12所示：
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图12 涡激振动原理
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