水下椭圆柱壳声散射特性研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

圆柱壳的使用范围如今越来越广，比如航天飞机的壳体，助推火箭，海洋航行器如鱼雷、潜艇，海底输油管道等等。特别在近代，人们追求在强度有保证时的轻量化，且下航行器的隐蔽性是在战争中先发制人的重要凭据，圆柱壳更是成为无法替代的结构形式。因此，圆柱壳声散射特性研究就成为非常重要的内容，引起了各国学者极大的重视。然而在实际工程应用里，经常会见到一些特殊柱壳，而其中椭圆柱壳就是一类应用广泛的典型特殊壳体，比如在潜艇的耐压指挥舱，储液容器，以及高精度偏心套等等。同时，在产品研发设计和计算时，大多数会把圆柱壳的横截面看做是理想的圆形，但在实际产品铸造中会受制造设备，工艺水平，以及成本等诸多因素影响，不可能制造出完美的圆柱壳产品，其产品往往会有初始缺陷，其中因为截面几何偏差形成的偏心圆柱壳和椭圆圆柱壳就是最常见的典型制造误差。而因为其截面形状的改变，其自身的声散射特性也必然会发生相应改变。本文及之后的研究将就椭圆圆柱壳的声散射特性展开研究。事实上，过去的研究人员对理想圆柱壳的特性研究已经比较成熟，而椭圆圆柱壳的特性与圆柱壳的差异有多大，前任的关于理想圆柱壳的研究成果能否适用于椭圆圆柱壳都是值得讨论的问题。

由于本课题是基于圆柱壳结构发展而来的，虽然在很多方面与圆柱壳已有较大差距，但其与圆柱壳依然与圆柱壳有一点的联系，换句话来说，圆柱壳结构可以当做本文研究结构这种非标准圆截面柱壳中一种“特殊结构”存在。所以，有必要对圆柱壳结构的研究历程及情况做一下介绍。

20世纪50年代, james^[1]详细研究了实心圆柱和球体的散射情况。在此之后结构的声散射分析有了很大的进步, moser和herbert^[2]用解析法探究了有限长加肋柱状结构的声散射状况。因为解析法求解散射问题有很大局限性,目前研究大多使用数值方法或者解析法和数值法相结合的方法。边界元法从20世纪60年代出现就开始在声学研究中展现出巨大的作用。t. w. wu^[3]在他的著作中详细说明了边界元的基本理论和计算方法。 estorff^[4]在著作中阐述了声学边界元技术的应用与进展。关于在复杂弹性结构声散射的问题,学者们^[5-8]已做出了一定的探究。目前国内使用有限元/边界元结合的方法主要是用于在结构声辐射的研究中^[9-12],而对于水下弹性结构散射问题研究较匮乏。2001年,麻海燕^[24]研究了非圆层合柱壳的非线性振动,在timoshenko-mindlin假设donnell型板壳理论的基础上 ,得到了用中面转角、挠度和无量纲应力函数表示的非圆截面层合柱壳的非线性振动控制微分方程。而且分析了椭圆截面层合柱壳的非线性振动。并采用伽辽金法得到了关于时间的非线性微分方程组,使用谐波平衡法求解,最终得到了数值计算结果。潘安，范军等团队^[21]进行了在水中的双层周期性加肋有限长圆柱壳声散射特性的研究.用薄壳理论的 donnell 方程来描述壳体振动, 忽略了弦间流体对于环肋轴向力的作用. 据此进行机理分析. 计算结论表明远场散射声场中除壳体弹性贡献外, 弦间流体和环肋与内外壳的相互影响对散射声场的贡献比重也是很大的。熊路^[15]第一步从偏心圆柱壳截面的几何特性出发，把偏心圆柱薄壳问题转化成一个逐渐变厚度的圆柱薄壳问题。并采用传递矩阵法建立了壳体的自由振动方程，并导入精细积分法以确保计算精度，得到了固有频率的特征方程。郭新毅，马力和吴国清^[23]在2007年对水下加筋圆柱壳结构采用有限元/边界元(fem/bem)法进行分析声散射特性。研究结果表明，同种结构在波数增加的情况下后向散射强度逐渐变大,前向散射强度逐渐减小。张占阳，胡东森^[20]等在2017年使用声管测试得到声学覆盖层的声阻抗，然后得到等效参数，进而有了模态输入阻抗和传递阻抗等重要参数，再结合圆柱壳运动方程，最后得到了一种计算敷设声学覆盖层有限长圆柱壳的散射声场的计算方法。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

传统的解析方法只可以得出几何结构简单的结构散射声场,但对于几何形状复杂的弹性结构,解析法求解存在很大弊端。本文主要通过详细了解有限元法计算水下椭圆柱壳结构基本原理，利用有限元方法计算弹性表面动响应，继而求出弹性结构散射声场，基于有限元分析软件ansys建立椭圆柱壳有限元模型，利用有限元仿真软件对椭圆柱壳固有频率及振动响应进行仿真计算，基于声学计算软件virtual lab计算椭圆柱壳声散射，分析水下椭圆柱壳固有振动特性和声散射特性等。

2.2研究目标

3. 研究计划与安排

（1）查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需技术方案及措施。确定方案，完成英文翻译、文献综述及开题报告； （第1周—第3周）

（2）查找并阅读文献，总结归纳水下椭圆柱壳声散射研究的发展现状及应用，详细分析其结构及工作原理；总结出研究方法 ；（第4周—第6周）

（3）学习建模软件solidworks，及有限元分析软件ansys，搜集相关参数，完成水下椭圆柱壳模型有限元建立工作 （第7周—第8周）

4. 参考文献（12篇以上）

[1]　 james j, faran jr. soundscattering by solid cylinders and spheres [j] .acoust soc am, 1951; 23 (4): 405～ 418.

[2]　 philip j moser, herbertuberall, jian-ren yuan. sound scattering from a finite cylinder with ribs [j] .acoust soc am, 1993, 94(6): 3342～ 3351.

[3]　 tw wu. boundary elementacoustics [m] . southampton, boston: wit press, 2000.