Разработка алгоритмов и численных методов расчета характеристик акустических полей внутри кают пассажирских судов, модулей транспортных средств и инженерных сооружений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РФ «ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССВДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ имени академика А.НЛСрылова»

На правах рукописи

МИНИН РОМАН АНАТОЛЬЕВИЧ

УДК 534.8.004.1.001.24:629.5.042.2(043.3)+681.3.0б(043.3)

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА

ХАРАКТЕРИСТИК АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ВНУТРИ КАЮТ ПАССАЖИРСКИХ СУДОВ, МОДУЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ И ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ.

01.04.06-акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005 г.

Работа выполнена в'ФГУП ГНЦРФ «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук старший научный сотрудник ШВЛОгов

доктор технических наук,

профессор

А.В.Авринский

кандидат технических наук, старший научный сотрудник КХ. Новожилов

Ведущая организация:

ФГУП<(ЦНИИТС» Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится 11 апреля 2005 года в 14 часов в ауд. У-167 на заседании диссертационного совета Д 212.228.04 Санкт-Петербургского государственного морского технического Университета по адресу: 198262 г. Санкт-Петербург, Ленинский проспект, д. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ по адресу, 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

Автореферат разослан \Ь марта 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Б.П. Васильев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблеме снижения шумоизлучения и передачи звуковой вибрации внутри транспортных средств различного назначения и инженерных сооружений придается большое значение в силу необходимости повышения конкурентоспособности разрабатываемых конструкций и улучшения их экологических показателей. Актуальность вышеуказанной проблемы обусловлена, в первую очередь, отрицательным воздействием источников шума на здоровье человека. Минимальные значения уровней звукового давления, которые в условиях восьмичасового рабочего дня при продолжительном воздействии могут привести к тугоухости, находятся в пределах 90 дБ. Значительно большее значение имеют подчас трудноразличимые реакции организма, протекающие эрготропно (с пониженной возбудимостью), длительность которых, как правило, больше, чем время раздражения и которые медленно затухают. Воздействие шума на вегетативную нервную систему наиболее характерно проявляется через изменения в системе кровообращения, в частности, повышается периферийное сопротивления сосудов, что становится достаточно заметным при интенсивности звука в 70 дБ. Практическое значение имеет также расширение зрачков, которое зависит от интенсивности звука и, начиная с 75 дБ, развивается нелинейно. В результате этого уменьшается глубина резкости зрения, что особенно нежелательно для людей некоторых профессий, например часовщиков, точных механиков и т.д. Необходимо учитывать также отрицательное воздействие инфразвуковых волн на психическое состояние человека. Воздействие на психику возрастает с повышением тона, увеличением громкости и с уменьшением полосы шума. Поэтому предприятия многих отраслей промышленности стали уделять повышенное внимание улучшению экологической безопасности своих изделий в части шумовой загрязненности. В частности, в автомобильной промышленности в последние годы значительно возрос интерес к исследованию путей распространения структурного шума внутри несущих конструкций, поскольку указанный фактор является определяющим при формировании акустического поля салонов и помещений транспортных средств. Это, в свою очередь, требует разработки и внедрения более эффективных элементов конструкций транспортных средств, обеспечивающих снижение излучаемого ими воздушного шума как внутри обитаемых помещений, так и снаружи. К ним относятся: глушители шума системы выпуска отработанных газов, конструктивные элементы обитаемых помещений, обеспечивающие требуемые величины звукоизоляции, а также элементы внутренней отделки помещений со звукопоглотителями. Легковые и грузопассажирские автомобили и автобусы располагают достаточно большим числом агрегатов, передающих динамические нагрузки непосредственно на основание несущего кузова, имеющее в большинстве случаев повышенную виброакустическую возбудимость. Таким образом, величины и картина распределения звуковых полей внутри помещений тесно взаимосвязаны с динамическими характеристиками несущих конструкций

автомобилей и, в первую очередь, с параметрами собственных колебаний. В области судостроения эта проблема стоит достаточно остро, поскольку требования по воздушному шуму предъявляются не только к жилым помещениям, но и к помещениям, где расположены энергетические и силовые установки, а также различные механизмы, системы и инженерные коммуникации. В зависимости от категории, эти помещения должны обеспечивать комфортные условия обитаемости для экипажа и пассажиров (каюты, салоны), или приемлемые условия работы для обслуживающего персонала (производственные помещения). Требования по воздушному шуму к ним различны, поэтому есть категории помещений, нахождение обслуживающего персонала в которых ограничено по времени. Необходимо отметить также, что повышенная шумовая загрязненность ареала обитания ценных рыб промысловых пород может привести к значительному снижению популяции рыб в этих регионах. Проблема снижения шума и вибрации на судах должна решаться на стадиях проектирования судна и предусматривать технические решения, включающие применение средств вибро- и звукопоглощения. Для судов ледового плавания (СЛП) при движении во льдах на уровни шума в помещениях кроме вибрации и шума, создаваемого механизмами и корпусом судна в целом, в ряде случаев значительное воздействие оказывает шум трескающихся льдин. В связи с этим, возникает задача определения картины распределения акустического поля снаружи судна (как в воздухе так и в воде) от взаимодействия корпуса судна со льдом. То есть, в ряде важных случаев (для СЛП при движении во льдах) для решения «внутренней» задачи необходимо решать также и «внешнюю» задачу.

Дель работы и задачи исследования. Целями настоящей работы являются:

совершенствование математических моделей, алгоритмов и программных разработок для расчета акустических характеристик излучения во внутренние замкнутые объемы;

разработка на их основе модулей программного комплекса по расчету вибрационных и акустических характеристик внутренних полей сложных пространственных объектов, включая автомобильные, морские, воздушные и другие транспортные средства с учетом средств звукопоглощения на низких и средних звуковых частотах;

численные исследования вибрационных и акустических характеристик проектируемых и создаваемых в настоящее время обитаемых помещений морской техники и модулей транспортных средств с целью улучшения их шумовых характеристик и повышению конкурентоспособности на потребительском рынке.

Методы исследований. Для реализации цели работы применялись теоретические методы и методы численного моделирования. При сопоставлении расчетных и экспериментальных данных использовались результаты модельных и натурных испытаний на стендах.

Научная новизна обусловлена следующими положениями и

результатами:

разработаны методы и численные алгоритмы расчета и пространственного представления акустических полей для задач внутреннего излучения;

- разработаны алгоритмы, учитывающие эффекты звукопоглощения в материалах конструкций;

- на основе применения совместного метода конечных и граничных элементов (МКЭ/МГЭ) создан программный комплекс по расчету виброакустических характеристик сложных структур для задач внутреннего излучения, который широко использует средства компьютерной графики для построения модели и визуализации результатов расчета.

- расширены возможности комплекса для излучения частично погруженных в воду морских сооружений.

Практическая ценность. Разработанный аппарат позволяет проводить акустическое проектирование конструкций на новом качественном уровне с применением современных компьютерных технологий, что значительно снижает стоимость проектирования по сравнению с методами экспериментального моделирования. Выполнены исследования виброакустических характеристик каюты пассажирского судна, кабины автомобиля МАЗ и эластичной звукоизолирующей оболочки (ЭИО) межвагонного перехода высокоскоростного поезда «Сокол-250», определены критерии подбора составных элементов этих конструкций с целью уменьшения внутреннего шума в помещениях транспортных средств. На основе программного комплекса проведен анализ характеристик звукоизлучения челночного ледового танкера и глушителя автомобиля. Результаты работ использованы при выполнении научно-исследовательских и договорных работ ФГУП ГНЦ РФ «ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова», ПРУП «Минский автомобильный завод».

Основные положения выносимые на защиту;

- принципы построения математические моделей и алгоритмов, описывающих связанные колебания системы «структура-среда» для задачи излучения во внутренние замкнутые объемы на основе совместного использования МКЭ/МГЭ;

- численные методы расчета, реализованные в программном комплексе по расчету характеристик акустических полей внутри кают пассажирских судов, модулей транспортных средств и инженерных сооружений с целью обеспечения экологических требований по шумовым полям внутри помещений на всех стадиях проектирования;

- результаты расчетного исследования по акустически рациональному проектированию кают пассажирских судов;

- результаты численного исследования виброакустических характеристик кабины и отдельных компонентов грузового автомобиля МАЗ;

- принципы построения математических моделей излучения частично погруженных в воду объектов морской техники и численные методы расчета, реализованные на примере Челночного ледового танкера (ЧЛТ).

Апробация работы. Основные результаты докладывались и получили положительную оценку на второй международной конференции по судостроению ISC98, научном семинаре Санкт-Петербургского Дома Ученых «Проблемы освоения Российского Арктического шельфа» (Санкт-Петербург, 1999), Международных конференциях «Математическое моделирование в механике сплошных сред на основе методов граничных и конечных элементов» (Санкт-Петербург, 1999, 2000), на VI Российской конференции пользователей систем MSC, 2003 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 7 публикациях (см. перечень в конце автореферата).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы (67 названий) и 56 рисунков. Работа содержит 109 страниц машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, дан краткий обзор выполненных исследований по численному моделированию звукоизлучения сложных инженерных конструкций.

Проблеме борьбы с повышенным шумоизлучением на транспорте посвящены публикации многих авторов, среди которых следует выделить работы К.И. Мальцева, В.М. Спиридонова, И.И.Боголепова и Э.И.Авферонка, в которых обобщены результаты научных исследований и конструкторских разработок по судовой звукоизоляции. В них большое внимание уделено описанию физико-технических свойств звукоизоляции одностенных, двухстенных и многослойных конструкций. На основе теоретических и экспериментальных исследований даны методы расчета звукоизоляции.

Помимо теоретических и экспериментальных методов исследований процессов шумоизлучения, в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова Безъязычным А.В., Кузнецовым Н.А., Попковым В.И., Попковым СВ., Поповым А.В., Самойловым А.О., Селивановой И.А. выполнены работы по созданию программных комплексов для обеспечения акустического проектирования объектов водного транспорта и морской техники с безопасными уровнями вибрации и воздушного шума в местах пребывания людей. Был создан программный комплекс DACS, предназначенный для расчетов вибрационных и динамических характеристик судовых энергетических установок и вспомогательного оборудования на основе метода конечных элементов

б

(МКЭ). Разработана программа NSEA, основанная на уравнениях энергетического баланса и предназначенная для определения общих уровней воздушного шума в судовых помещениях, обусловленного переизлучением ограждающих их перекрытий. Однако, энергетические методы имеют ряд ограничений по частотному диапазону, поскольку для корректного применения уравнений энергетического баланса необходимо наличие диффузного поля. Существенно, также то, что излучение в замкнутые пространства определяется не только собственными частотами изгибных колебаний перекрытий, которые учитываются в упомянутых работах, но также и другими формами собственных колебаний разнообразных элементов, как несущих конструкций помещений, так и их внутреннего насыщения.

Среди работ других научных центров следует выделить работы коллектива, возглавляемого В.Е. Тольским, посвященные шумоизлучению и виброакустической диагностике автомобилей. В них рассмотрены основные показатели, определяющие виброакустические качества автомобилей, дан широкий анализ влияния его агрегатов и систем на образование шума, приведены результаты исследования виброакустических характеристик автомобилей.

Упомянутые выше подходы и методики по определению уровней звукового давления в значительной степени основаны на накопленных экспериментальных данных, что, затрудняет их использование для расчета структуры звукового поля внутренних помещений инженерных объектов и транспортных средств. Кроме этого, в вышеприведенных работах представленные методы ориентированы на оценку общих уровней воздушного шума в помещениях, что не позволяет получить полную объемную картину распределения звукового поля.

На сегодняшний день, наиболее перспективным подходом к решению задачи колебаний акустической среды являются методы численного моделирования. Значительный вклад в решение задачи взаимодействия акустической среды с упругой конструкцией с использованием метода конечных элементов внесли ученые Ленинградского Кораблестроительного Института В.А.Постнов, А.КФрумен, Е.А.Волков, А.Ю.Душин, А.Ю.Петров. В последние время для решения проблемы взаимодействия системы «структура-среда» стал интенсивно использоваться совместный метод конечных и граничных элементов (МКЭ/МГЭ). В период 80-90-х годов появилось значительное количество публикаций, посвященных данной проблеме, в том числе работы западных исследовательских центров: Тейлоровского центра (США), NTT и LMS (Бельгия). В работах Н.В. Югова, Н.О. Симимна, В.В. Завгороднего параллельно с работами западных исследовательских центров, были заложены основы отечественного программного комплекса ACULA 3D. В 1994 году были закончены разработки программного комплекса ACULA 2D для плоских и осесимметричных моделей, а в 1995 году программный комплекс был оттестирован для трехмерных моделей. Работами Р.А. Минина были значительно расширены возможности программного комплекса в части:

- разработки модулей, обеспечивающих расчет и пространственное представление акустических полей для задач внутреннего излучения на низких и средних звуковых частотах с учетом эффектов звукопоглощения;

- разработки единой графической оболочки и интерфейса пользователя, интеграции комплекса ЛСиЬАЗБ в систему конечно-элементного анализа МБС РАТКАК/^ТКАК;

расширения возможностей комплекса для излучения частично погруженных в воду морских сооружений;

В первой главе представлены методы построение алгоритмов расчета звукоизлучения системы «структура-среда» на основе МКЭ/МГЭ. Приведены алгоритмы расчета для систем с наличием звукопоглощающих материалов, а также применение алгоритмов МГЭ в области инфразвуковых частот.

Рассмотрим объем Q, ограниченный поверхностью S, заполненный акустической средой (рис.1). Для малых амплитуд гармонических колебаний с частотой 6) звуковое давление Р в полости удовлетворяет уравнению Гельмгольца:

д1р/жг+д1р/я*+д2р/сг1+к1р=о, (1.1)

где к = со/с - волновое число; с - скорость звука.

Рис.1. Пояснения к постановке задачи звукоизлучения во внутренние замкнутые объемы

(О - объем ограниченный поверхностью 8, заполненный акустической средой; N нормаль К 8 \Я - расстояние от точки наблюдения а до £, где положение а - произвольно, а £ должна лежать на поверхности 8; I - расстояние от произвольного начала координат

до точки £)

Используем связь производной от давления по нормали и нормальной скорости У^

ёрЩ=-]ра>Ум, (1.2)

где N - нормаль к 8; р - плотность акустической среды; } = 4-1. Учитывая формулу Грина и переходя к интегралу Кирхгофа, преобразуем уравнение (1.1) в интегральное уравнение:

2п ЩаЛ)

здесь а - точки акустической среды внутри объема Q, ограниченного поверхностью S \ ¿¡ - точка на поверхности S; - расстояние отточки

наблюдения а до £ (рис.1); Р(а), P(Q- звуковое давление. Коэффициент С(а) задается в следующем виде:

С(а)= 1 на поверхности S . (1.4)

Решение интегральных уравнений (1.3) относительно переменных Р и VN начинается с разбиения поверхности S на конечное число элементов. Элементы могут быть как трех-, так и четырехугольной формы. В процессе численной реализации уравнение (1.3) может быть преобразовано в матричную форму:

[AJ{PMB]{VN),_(1.5)

где {Р} и {Уц} - векторы (матрицы-столбцы) давления и нормальной скорости в узлах гранично-элементной поверхности S. Коэффициенты матриц могут быть найдены численными методами.

Гранично-элементное моделирование поверхности со

звукопоглощающим покрытием

Выше представлены алгоритмы расчета акустических полей, излучаемых поверхностью структуры во внутренние замкнутые объемы. Этот аппарат применим только в том случае, когда излучающая поверхность не содержит звукопоглощающих материалов. На практике же часто для уменьшения уровня внутреннего шума на излучающую поверхность наносятся различные звукопоглощающие покрытия. В этом случае применение рассмотренных ранее математических алгоритмов приведет к ошибочным результатам в расчете поля звуковых давлений, как на поверхности структуры, так и во внутреннем пространстве. Для того, чтобы избежать этих погрешностей, необходимо при расчете конструкций, облицованных звукопоглощающими элементами, учесть поправки, отражающие характеристики используемых материалов.

Отметим, что нормальная колебательная скорость поверхности структуры не совпадает с нормальной скоростью частиц среды на поверхности звукопоглощающего материала У№ что учитывается соответствующим добавочным вектором коэффициентов Умв:

{VN}= {V^+fVmj}.

(1.6)

Задача в данном случае сводится к решению следующей системы линейных алгебраических уравнений:

или

[AJfP} = [B]{[Q]{F}+[Q]{P}+[V]{P}}. (1-7 ([А] - [B][Q] - [B][U]){P} = [B][Q]{F}. (1.8)

Решая полученную систему линейных алгебраических уравнений (1.8), можно определить вектор давлений {Р} на поверхности структуры, а затем с помощью уравнения (1.5) - колебательные скорости частиц среды на поверхности звукопоглощающего материала.

Применение метода граничных элементов к проблеме звукоизлучения внутри помещений в области инфразвуковых частот

Решение задачи внутреннего излучения в области низких и сверхнизких частот в том случае, когда известно поле колебательных скоростей на излучающей поверхности, требует специального подхода с применением математического алгоритма, основанного на переходе от уравнения Гельмгольца к уравнению Лапласа. В результате данного преобразования рассматриваемые интегральные уравнения становятся независящими от частоты, что позволяет решать систему интегральных уравнений только один раз для всего рассматриваемого диапазона частот. Общее решение для звукового давления строится на основе функционального ряда. Использование нового метода позволяет значительно снизить вычислительные затраты машинного времени при сохранении и даже увеличении точности расчетов по сравнению с решением интегрального уравнения Гельмгольца.

Рассмотрим объем Q, ограниченный поверхностью S, заполненный акустической средой (рис.1). В случае низкочастотной постановки задачи более удобно будет перейти к переменной Ф, где <P=Pljpca. Все линейные размеры и координаты приводятся к безразмерным с помощью параметра L, представляющего характерный размер задачи: x=X/L, y=YÍL, z=7JL, n=N/L и r*=R/L, где п - безразмерная нормаль к поверхности S, г - безразмерный радиус вектор. Таким образом, уравнение (1.1) принимает следующую форму Д Ф+(кЬ)*Ф=0, (1.9)

где А-безразмерный оператор Лапласа: А=д*/дх? + д*/ду* + д2/Эг* Математический аппарат, используемый при низкочастотном ГЭ анализе, гораздо более сложен, чем при ГЭ анализе, основанном на решении уравнения Гельмгольца. Главная ГЭ часть решения основана на уравнении

которое в матричной форме имеет вид

[A]{UMB]{Vn}+[D]{l}. (1.10)

Уравнение (1.10) для известного вектора скоростей {v,J сводится к набору т линейных уравнений для т неизвестных, где т - число граничных элементов поверхности. Заметим, что в этой постановке интегралы не включают волновые числа.

Во ВТОРОЙ главе представлен программный комплекс по расчету виброакустических характеристик сложных инженерных сооружений. Разработанный программный комплекс ACULA 3.1 (акустический линейный

анализ) предназначен для расчета виброакустических характеристик объектов морской техники, транспортных средств и сложных инженерных сооружений. Математический аппарат, заложенный в расчетную часть комплекса, основан на алгоритме связанной проблемы МКЭ/МГЭ для взаимодействия системы «структура-среда». Программный комплекс функционально позволяет выполнять расчеты колебательных скоростей и звуковых давлений на излучающей поверхности структуры, а также полную излучаемую мощность и интенсивность излучения поверхности конструкции. В комплексе предусмотрены варианты расчета для следующих возможных постановок задачи звукоизлучения:

- взаимодействие конструкции с «тяжелой» акустической средой (вода);

- взаимодействие конструкции с «легкой» средой (воздух);

- расчет поля акустических давлений по заданному полю колебательных скоростей;

Последний вариант работы программного комплекса может быть использован в том случае, когда имеется информация о колебательных скоростях структуры (полученных, например, экспериментально). Тогда можно определить поле акустических давлений создаваемое полем колебательных скоростей излучающей поверхности. Кроме того, для каждого из вышеприведенных вариантов предусмотрена возможность наложения дополнительных граничных условий расчета, учитывающих применение звукопоглощающих покрытий на поверхности контактирующей с внешней средой. Общий алгоритм заложенный в реализацию программного комплекса представлен на рис.2.

Рис. 2. Общий алгоритм работы КЭ/ГЭ программного комплекса.

Комплекс разработан в среде MS Visual Studio 6.0 с использованием компиляторов MS Visual C++ 6.0 Enterprise Edition и Compaq Visual Fortran Professional Edition' 6.1. Модули и конвертеры, предназначенные для взаимодействия с КЭ системой PATRAN/NASTRAN, разработаны на языке PCL (Patran Command Language), интегрированного в КЭ систему PATRAN. Графический пользовательский интерфейс (ГПИ) программного комплекса представляет собой стандартный графический интерфейс, использующийся для WINDOWS приложений. При создании ГПИ были учтены все наиболее распространенные средства используемые при разработке ГПИ для WINDOWS. Функционально комплекс основан на взаимодействии со следующими программами конечно-элементного анализа:

- ANS YS фирмы ANSYS, inc.;

- PATRAN/NASTRAN фирмы MSC.

Схема разработанного программного комплекса ACULA 3.1 представлена на рис.3.

NASTRAN

Рис. 3. Схема работы программного комплекса ACULA 3.1

В качестве тестовой модели было рассмотрена внутренняя задача звукоизлучения пульсирующей сферической оболочки. В результате расчетов были получены амплитудно-частотные характеристики звукового давления в центре сферы. Как видно из рис. 4, расчетные уровни давления достаточно хорошо совпадают с аналитическим решением (с точностью до 2 ДБ).

Третья глава посвящена исследованию акустических характеристик внутри обитаемых модулей объектов автомобильной, железнодорожной и морской техники. В первом разделе представлены расчетно-экспериментальные исследования пассажирской каюты. Расчеты выполнялись применительно к следующим конструкциям кают: однокорпусной модели каюты;

двухкорпусной амортизированной модели каюты (рис.5).

Экспериментальные исследования проводилось на основе реальной двухкорпусной амортизированной конструкции каюты. Измерялись уровни звукового давления и вибрация внешних и внутренних конструктивных элементов каюты. Частотный диапазон измерений лежал в полосе частот 2120 Гц. Целью работы была проверка достоверности результатов расчета уровней воздушного шума в каюте на основе разработанного программного комплекса путем сравнения с экспериментальными данными. Качественные картины распределений уровней звуковых давлений, полученных на базе расчетных и экспериментальных данных, хорошо совпадают. Первый резонанс, по расчетным исследованиям, находится на частоте 12 Гц. По результатам экспериментальных данных первый резонанс лежит в районе 1213 Гц. Второй и третий резонансы расположены по результатам расчета на частоте 24 и 28 Гц, что также попадает в диапазон области первых резонансов по результатам эксперимента. Проведенные расчеты показывают, что частота 75 Гц (расчетное значение) принадлежит к экспериментально определенному резонансу объема в диапазоне 71-78 Гц. На рис.6 приведен пример представления результатов расчетных исследований.

\

/

¡¿'вфи^»;: - г

ФЙР 5* 1 ■!: й^яг1" !

г.

V

Рис. 5. Конечно-элементная модель двухкорпусной конструкции каюты. «В»-точка возбуждения вертикальной силой

% а) фирмк колебшшП звуковое ' давление р«1о|шм' ив б)поле звуковых давлений внутри каюты

{Цйййь. муксоо« Т 'ч^-т^Йй ДЫМЮЯНв Р'Ю^П/м' ¡ц в) пол* звуковых давлений натр» внутренних плоскостях Л^/ЧЛсл. звуковое г) ложе авуховык давления ]ш поверхности облицовки

Рис. 6. Акустические характеристики каюты на частоте 65 Гц и распределение звукового поля внутри каюты.

В разделе 2 третьей главы приведено расчетно-экспериментальное исследование виброакустических характеристик конструкции кабины автомобиля МАЗ. Расчеты собственных частот и форм колебаний подтверждены результатами экспериментальных исследований. В процессе исследования решались следующие задачи:

- расчет собственных частот и форм колебаний (таблица 1);

- расчет функции отклика (вибрации) при задании возмущающих сил со стороны колес;

- оценка уровней воздушного шума внутри кабины при заданных возмущающих силах со стороны колес (рис.7,8).

Таблица 1. Первые собственные частоты кабины для симметричных ____форм колебаний.

Мода колебаний Собственная частота, Гц Форма колебаний

расчет эксперимент

1 3.35 3.94 поворотные колебания кабины (как единого целого) на жесткостях амортизации и подвески относительно оси X.

2 14.33 13.78 поступательные колебания кабины на жесткостях амортизации и подвески по оси У

3 18.43 19.87 колебания листов задней стенки и частично листов передка.

4 19.15 - сложная форма колебаний задней стенки.

5 19.70 18.75 колебания «окна» и боковины по X (верхняя центральная часть).

Рис.7. КЭ модель кабины автомобиля МЛЗ и распределение поля акустических давлений внутри кабины на частоте 4 Гц при возбуждении вертикальной силой, действующей со стороны колес («А» - точка возбуждения)

В разделе 3 третьей главы изложены результаты численных расчетов акустических характеристик эластичной звукоизолирующей оболочки (ЭИО) межвагонного перехода высокоскоростного поезда «Сокол-250». Рассмотренная конструкция ЭИО представляет собой гофрированную оболочку состоящую из 10 гофр. Оболочка должна была обеспечивать эффективность звукоизоляции равную 32 дБ, что позволяет снизить уровень шума в переходе при движении поезда со скоростью 250 км/ч до 80-85 дБ. На рис.9 представлена конструкция ЭИО и рассчитанная зависимость звукоизоляции от частоты в сравнении с экспериментальными данными и теоретическим расчетом по формуле для звукоизоляции металлической пластины:

ЗИ= 10 к [(1 +фсоз А /рс)2],

где к - угол падения звуковой волны (принимался равным 0°), т -поверхностная масса металлической пластины, р - плотность воздуха, с -скорость звука в воздухе.

Рис.9. Конструкция и звукоизоляция эластичной звукоизолирующей оболочки:

_ - аналитический расчет;

- - - численный расчет; ■ ■ - эксперимент.

Как видно из рис.9 результаты численного расчета достаточно хорошо совпадают как с экспериментальными данными, так и с аналитическими приближениями.

В четвертой главе описаны особенности применения разработанного аппарата для расчета внешних акустических полей надводных кораблей и элементов автомобильного транспорта. В качестве объекта исследований в первом разделе указанной главы рассматривалась конструкция Челночного ледового танкера (ЧЛТ), входящего в морскую транспортную систему обеспечения Приразломного нефтяного месторождения (рис. 10,11). Челночный ледовый танкер представляет собой судно водоизмещением около 73 тыс. т., предназначенной для перевозки нефти от месторождений, расположенных в районах крайнего севера. Наиболее значимым результатом полученным в ходе данной работы являются принципы формирования КЭ/ГЭ моделей конструкций с учетом частичного погружения во внешнюю акустическую среду, которые распространяются на весь диапазон частот, где применим совместный МКЭ/МГЭ. Решение задачи выполняется в модальных координатах, т.е. вся информация по возможным колебаниям отброшенной части структуры выше ватерлинии как, впрочем, и по всей структуре, содержится в модах колебаний, полученных для всего объекта на первом этапе, где определяются собственные частоты и формы колебаний полной «сухой» конструкции. При введении искусственной зеркальной плоскости симметрии производится наложение мод колебаний всей конструкции на излучающую поверхность ниже ватерлинии с последующим усечением (редукцией) матрицы мод колебаний таким образом, чтобы обеспечить соответствие степеней свободы излучающей поверхности ниже ватерлинии и модальных векторов новой системы. После этого производится зеркальное отражение результата наложения на структуру, находящуюся выше ватерлинии. В этом случае решение задачи излучения переводится в стандартное русло, поскольку искусственно созданная конструкция корпуса является замкнутой и полностью погруженной в окружающую среду.

Рис.10. Конечно-элементная модель ЧЛТ. Вид с правого борта (1/2 модели -13046 узлов, 28813 конечных элементов, 3736 узлов излучающей поверхности)

Рис. 11. Конечно-элементная модель челночного ледового танкера (носовая часть)

В результате выполненных исследований показано, что собственные частоты основных балочных форм колебаний ЧЛТ лежат в области частот от 0.8 до 3 Гц. Оболочечные формы колебаний ЧЛТ начинаются с частот 710 Гц. На рис.12 представлены вынужденные формы симметричных колебаний ЧЛТ на плаву с полной загрузкой и диаграммы направленности на резонансных частотах ЧЛТ. Результаты расчетов хорошо согласуются с базой данных по СЛП д.т.н. А.Б. Майзеля.

Г>ГМ ЦМП *Ш*МЯ К1

Рис.12. Вынужденные формы симметричных колебаний и диаграммы направленности эвукоизлучения ЧЛТ для частот 0.8 и 1.6 Гц на дистанции 1000 м,

Во втором разделе четвертой главы представлены результаты расчетов с помощью программного комплекса ACULA 3.1 акустических характеристик глушителя МАЗ 630300 (рис.13). Одновременно с этим проведен сравнительный анализ результатов, полученных при помощи представляемого пакета и, результатов, полученных при использовании сертифицированной Европейской акустической системы SYSNOISE v5.5. При выполнении исследований ставились следующие задачи:

- определение спектра собственных частот колебаний глушителя и степень «отстройки» резонансных частот от частоты выпуска отработанных газов (f=133.3 Гц);

- определение резонансных частот и оценка уровней звукового давления во внешней среде при продольном воздействии на перегородки патрубка глушителя.

В результате исследований глушителя МАЗ - 630300 выявлено, что частота выпуска отработанных газов f = 133.3 Гц существенно «отстроена» от частот собственных форм колебаний глушителя. При этом первая собственная частота глушителя f = 306.08 Гц соответствует продольному колебанию входного патрубка относительно кожуха глушителя. Другие резонансные частоты колебаний модели при продольном возбуждении патрубка глушителя силой 23 Н имеют следующие значения: fi=305 Гц, f= 420 Гц, f3= 540 Гц.

Рис. 13. Общий вид КЭ модели глушителя МАЗ 630300 19

Сравнительный анализ результатов исследований, проведенных при использовании европейской системы SYSNOISE и программного комплекса ACULA 3.1, показал совпадение по спектру полной мощности звукоизлучения. Расхождение по уровням звукового давления на поверхности кожуха составило не более 3 дБ. Получено практически полное совпадение в картине распределения поля звуковых давлений и в спектре уровней звукового давления в отдельной точке внешнего пространства (рис. 14,15).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны математические модели и алгоритмы связанных колебаний системы «структура-среда» на основе совместного использования МКЭ и МГЭ, предназначенные для расчета излучения инженерных конструкций во внутренние замкнутые объемы с учетом

эффектов звукопоглощения в области низких и средних звуковых частот. В представленных алгоритмах расчета отсутствуют ограничения на форму излучающей поверхности и сложность конструкции, что позволяет производить исследования виброакустических характеристик широкого класса инженерных объектов.

2. Разработанный аппарат реализован в программном комплексе ACULA 3.1. Программный комплекс включает в себя интерфейсы к современным КЭ системам мирового уровня PATRAN, NASTRAN, ANSYS 5.x и модуль по визуализации объемного распределения звуковых полей внутри помещений. Это значительно ускоряет процесс численного моделирования, обработку результатов вычислений и, в конечном итоге, разработку рекомендаций по совершенствованию конструкций. Программный комплекс способен раздельно производить анализ систем типа «структура-вода» и «структура-воздух».

3. Достоверность результатов расчетов, полученных с использованием разработанного программного комплекса, подтверждена сравнением с экспериментальными данными. При этом получено хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значений как по значениям собственных частот, так и по уровням звукового давления. Одновременно проведен сравнительный анализ результатов, полученных с помощью европейской сертифицированной акустической системы SYSNOISE и программного комплекса ACULA 3.1. Выявлено практически полное совпадение результатов как по спектру полной излучаемой мощности, так и по уровням звуковых давлений на излучающей поверхности моделей и в акустической среде.

4. Выполнены численные исследования виброакустических характеристик каюты пассажирского судна, кабины автомобиля МАЗ и эластичной звукоизолирующей оболочки высокоскоростного поезда, определены принципы подбора составных элементов конструкций с целью уменьшения внутреннего шума в помещениях транспортных средств.

5. Представлены перспективы дальнейшего развития и использования разработанного программного комплекса в задачах внешнего излучения применительно к анализу звукоизлучения надводного судна и глушителя автомобиля.

6. Разработанный программный комплекс внедрен при проведении численного компьютерного моделирования различных транспортных средств в ФГУП ГНЦ РФ «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова», в ПРУП «Минский автомобильный завод» при численном исследовании виброакустических характеристик кабины автомобиля МАЗ.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1 Минин Р.А., Симин Н.О., Югов Н.В. Исследование прочностных и физико-механических характеристик гофрированных композитных оболочек методом конечных элементов // Труды второй международной конференции по судостроению. Секция С: «Прочность, надежность и ресурс корпусов судов и морских сооружений». Санкт-Петербург, 1998. стр. 417-424

2 Югов Н.В., Минин Р.А Применение методов конечных элементов и граничных элементов к исследованию виброакустических характеристик обитаемых помещений стационарных буровых платформ // Доклад на научном семинаре Санкт-Петербургского Дома Ученых «Проблемы освоения Российского Арктического шельфа». Санкт-Петербург, 1999.

3 Югов Н.В., Минин Р.А. Определение характеристик распределения звуковых полей внутри судовых помещений методами конечных и граничных элементов // Доклад на XVII международной конференции «Математическое моделирование в механике сплошных сред на основе методов граничных и конечных элементов». Санкт-Петербург, 1999, стр. 196-199.

4 Югов Н.В., Ионов А.В., Минин Р.А. Моделирование вибрационных и акустических полей в судовых корпусных конструкциях // Доклад на XVIII Международной конференции «Математическое моделирование в механике сплошных сред на основе методов граничных и конечных элементов». BEM/FEM-2000. Санкт-Петербург, 2000.

5 Югов Н.В., Минин Р. А., Золотаревич В. П. Определение характеристик распределения гидроакустических полей судов методом граничных и конечных элементов // Доклад на XVIII Международной конференции «Математическое моделирование в механике сплошных сред на основе методов граничных и конечных элементов». BEM/FEM-2000.

6 Югов Н.В., Минин Р.А. Программный комплекс на основе МКЭ/МГЭ по расчету воздушного шума в помещениях // Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, сб.: «Акустические проблемы большого города. Конверсионные работы». Вып. 15,2003.

7 Ионов А.В., Югов Н.В., Минин Р.А. Разработка интерфейсных модулей взаимодействия между системой MSC.Patran и программным комплексом ACULA 3D на основе средств PCL // Доклад на VI Российской конференции пользователей систем MSC, 2003 г.

Редакционио-юдателюшй отдел ФГУП «ЦНИИ им.амд.А.Н.Кршн»а»

Подписано ■ печать 09.03.2003 г. Зак.461. Тир.ВО. 1,0 печатных листов

193

Введение.

Глава 1. Математические модели и алгоритмы расчета связанных колебаний системы «структура-среда» применительно к задаче излучения во внутренние замкнутые объемы.

1.1. Гранично-элементный акустический анализ.

1.2. Гранично-элементное моделирование поверхности со звукопоглощающим покрытием.

1.3. Применение метода граничных элементов к проблеме звукоизлучения внутри помещений в области инфразвуковых частот.

Глава 2. Программный комплекс для численного акустического анализа инженерных конструкций на основе МКЭ/МГЭ.

2.1. Алгоритм работы программного комплекса ACULA 3.1.

2.2. Модули и интерфейсы программного комплекса ACULA 3.1.

2.3. Тестирование программного комплекса на модели, имеющей аналитическое решение.

Глава 3. Исследование характеристик излучения во внутренние объемы помещений объектов морской техники и транспортных средств.

3.1. Исследование виброакустических характеристик каюты пассажирского судна.

3.2. Исследование виброакустических характеристик кабины автомобиля МАЗ.

3.3. Исследование акустических характеристик эластичной звукоизолирующей оболочки (ЭИО) межвагонного перехода высокоскоростного поезда «Сокол-250»

Глава 4. Возможности дальнейшего развития программного комплекса в части применения к задачам внешнего излучения.

4.1. Исследование виброакустических характеристик и излучения Челночного ледового танкера.

4.2. Исследования виброакустических характеристик глушителя автомобиля МАЗ 630300.

Сегодня во всем мире проблеме снижения шума и звуковой вибрации транспортных средств и инженерных сооружений различного назначения придается особое внимание для обеспечения конкурентоспособности за счет повышения комфортности и улучшения экологических показателей. Наибольший научный вклад в развитие данного направления в силу специфики решаемых задач внесли ученые судостроительной отрасли: ФГУП ГНЦ РФ «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова», Санкт-Петербургского Государственного Морского Технического Университета, ЦНИИ ТС, 1 ЦНИИ Военного кораблестроения, ВМА им. А.Н. Крылова, ФГУП «ЦНИИ «Морфизприбор»» и др. Актуальность вышеуказанной проблемы обусловлена также отрицательным воздействием источников шума на здоровье человека. Воздействие высокого уровня шума, например, в условиях производства приводит к временному ухудшению порога слышимости, а длительное воздействие на органы слуха может привести к частичной потери слуха. В результате шумового воздействия сужаются и, даже перекрываются кровеносные сосуды внутреннего уха и появляется усталость слуховых клеток. Минимальные значения общих уровней звукового давления, которые при продолжительном воздействии в условиях восьмичасового рабочего дня могут привести к тугоухости, находятся в пределах 90 дБ. Значительно большее значение имеют подчас трудноразличимые реакции организма, протекающие эрготропно (с пониженной возбудимостью), длительность которых, как правило, больше, чем время раздражения и которые медленно затухают. Воздействие шума на вегетативную нервную систему наиболее характерно проявляется через изменения в системе кровообращения. Ее реакция выражается, помимо незначительного уменьшения амплитуды кровяного давления и некоторого увеличения частоты пульса, главным образом, в снижении ударного объема сердца и повышении периферийного сопротивления сосудов, что становится достаточно заметным при общем уровне звука в 70 дБ. Практическое значение имеет также расширение зрачков, которое зависит от общего уровня шума и, начиная с 75 дБ, развивается нелинейно.

В результате расширения зрачков и появления, рефлекторно связанных с ними аккомодации и конвергенции, уменьшается глубина резкости зрения, что особенно нежелательно для специалистов различных производств (электронщиков, оптиков, точных механиков, часовщиков и.т.д.). Необходимо учитывать также отрицательное воздействие инфразвуковых волн на психическое состояние человека.

С целью повышения конкурентоспособности, предприятия многих отраслей промышленности уделяют повышенное внимание улучшению экологической безопасности своих изделий в части виброшумовых характеристик. В частности, в автомобильной промышленности в последние годы значительно возрос интерес к исследованию путей распространения структурного шума по несущим конструкциям автомобилей и кузову, поскольку указанный фактор является определяющим при формировании акустического поля внутри салонов автомобилей и кабин водителей. Исследования в области автомобильной акустики направлены также на разработку более эффективных элементов конструкций автомобиля, обеспечивающих снижение излучаемого ими воздушного шума как внутрь салона (или кабины водителя), так и наружу. В первую очередь, это глушители шума системы выпуска отработанных газов, звукопоглощающие и звукоизолирующие панели салонов (или кабины) автомобиля и моторного отсека, а также капсулы двигателя и ведущих мостов. Легковые и грузовые автомобили и автобусы располагают достаточно большим числом агрегатов, передающих динамические нагрузки непосредственно на основание несущих конструкций и кузова, имеющих в большинстве случаев повышенную виброакустическую возбудимость. Значения уровней воздушного шума и картина распределения звуковых полей внутри салонов автомобилей тесно взаимосвязаны с динамическими характеристиками несущих конструкций автомобиля и кузова. Наиболее значимыми среди них являются собственные частоты и формы колебаний, коэффициенты потерь и звукопоглощения.

В области судостроения эта проблема стоит весьма остро, поскольку требования по воздушному шуму предъявляются не только к жилым помещениям, но и к помещениям, где расположены энергетические и силовые установки, а также различные механизмы, системы и инженерные коммуникации. В зависимости от категории эти помещения должны обеспечивать комфортные условия обитаемости для экипажа и пассажиров (каюты, салоны), или приемлемые условия работы для обслуживающего персонала (производственные помещения). Требования по воздушному шуму к ним различны, поэтому есть категории помещений, нахождение обслуживающего персонала в которых ограничено по времени. Необходимо отметить также, что повышенная шумовая загрязненность ареала обитания ценных рыб промысловых пород может привести к значительному снижению популяции в этом регионе. Проблема снижения шума и вибрации на судах должна решаться на стадиях проектирования судна и предусматривать технические решения, включающие применение средств вибро- и звукопоглощения. Для судов ледового плавания (СЛП) при движении во льдах на уровни шума в помещениях кроме вибрации и шума, создаваемого механизмами и корпусом судна в целом, в ряде случаев значительное воздействие оказывает шум трескающихся льдин. В связи с этим, возникает задача определения картины распределения акустического поля снаружи судна (как в воздухе так и в воде) от взаимодействия корпуса судна со льдом. То есть, в ряде важных случаев (для СЛП при движении во льдах) для решения «внутренней» задачи необходимо решать также и «внешнюю» задачу.

Существующие в судостроении методики по определению уровней воздушного шума в конкретном помещении судна направлены на оценку общего уровня шума при шумовом и вибрационном воздействии со стороны соседних помещений с виброактивным оборудованием. Однако, эти методики не работают в тех случаях, когда требуется получить пространственную картину распределения звуковых полей. В первую очередь это связано с тем, что применимость существующих методик ограничивается диапазоном частот, в котором звуковое поле имеет диффузный характер. Диапазон низких и средних звуковых частот, где поле имеет волновой характер, эти методики не охватывают. Они не позволяют оценить влияние внутреннего насыщения и наличия персонала (например, кресел и пассажиров в транспортных средствах) на характер пространственной картины звукового поля. В ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова с конца 80-х годов под руководством Н.В.Югова ведутся активные исследования по созданию программного комплекса на основе МКЭ/МГЭ по расчету звукоизлучения судовых корпусных конструкций. Эти работы выполнялись параллельно с работами западных исследовательских центров: Тэйлоровский центр (США), NIT и LMS (Бельгия). В работах Н.В.Югова, Н.О.Симина, В.В.Завгороднего [1-26] были заложены основы программного комплекса ACULA3D. В 1994 году были закончены разработки программного комплекса ACULA2D для плоских и осесимметричных конструкций [3], а в 1995 году [4] программный комплекс ACULA3D был оттестирован для трехмерных моделей. Работами Р.А.Минина [54-64] впервые были расширены возможности программного комплекса ACULA3D в части: разработки модулей, обеспечивающих расчет и пространственное представление акустических полей для задач внутреннего излучения; разработки модулей, обеспечивающих учет эффектов звукопоглощения внутри замкнутых объемов; разработки модулей, позволяющих выполнять расчеты на инфразвуковых частотах; разработки единой графической оболочки и интерфейса пользователя; расширения возможностей комплекса для излучения частично погруженных в воду морских сооружений; разработки интерфейсов к современным КЭ системам мирового уровня (ANSYS 5.x, PATRAN, NASTRAN); разработки графического модуля по визуализации объемного распределения звуковых полей как во внутреннем, так и во внешнем пространстве; увеличения количества узлов ГЭ сетки излучающей поверхности до 4000; интеграции комплекса ACULA3D в систему конечно-элементного анализа MSC PATRAN/NASTRAN;

Проблеме борьбы с повышенным шумоизлучением на транспорте посвящены публикации многих авторов, среди которых следует выделить работы К.И. Мальцева, В.М. Спиридонова, И.И.Боголепова и Э.И.Авферонка [28,29], в которых обобщены результаты научных исследований и конструкторских разработок по судовой звукоизоляции. В них большое внимание уделено описанию физико-технических свойств звукоизоляции одностенных, двухстенных и многослойных конструкций. На основе теоретических и экспериментальных исследований даны методы расчета звукоизоляции. Произведен анализ влияния различных свойств материалов и параметров конструкции на звукоизоляцию, в том числе оценено влияние таких факторов, как звуковые мостики, акустические отверстия, ребра жесткости и сосредоточенные массы.

Помимо теоретических и экспериментальных методов исследований процессов шумоизлучения, в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова Безъязычным А.В., Кузнецовым Н.А., Попковым В.И., Попковым С.В., Поповым А.В., Самойловым А.О., Селивановой И.А. выполнены работы по созданию программных комплексов для обеспечения акустического проектирования объектов водного транспорта и морской техники с безопасными уровнями вибрации и воздушного шума в местах пребывания людей [30]. Был создан программный комплекс DACS, предназначенный для расчетов вибрационных и динамических характеристик судовых энергетических установок и вспомогательного оборудования на основе метода конечных элементов (МКЭ). Разработана программа NSEA, основанная на уравнениях энергетического баланса и предназначенная для определения уровней воздушного шума в судовых помещениях, обусловленного переизлучением ограждающих их перекрытий. Однако, энергетические методы имеют ряд ограничений по частотному диапазону, поскольку для корректного применения уравнений энергетического баланса необходимо наличие диффузного поля. Существенно, также то, что излучение в замкнутые пространства определяется не только изгибными колебаниями перекрытий, которые учитываются в упомянутых работах, но также и другими типами волн.

Среди работ других научных центров следует выделить работы коллектива, возглавляемого В.Е.Тольским [31,32], посвященные шумоизлучению и виброакустической диагностике автомобилей. В них рассмотрены основные показатели, определяющие виброакустические качества автомобилей, дан широкий анализ влияния его агрегатов и систем на образование шума, приведены виброакустические модели автомобиля, результаты исследования виброакустических показателей.

Упомянутые выше подходы и методики по определению уровней звукового давления в значительной степени основаны на накопленных экспериментальных данных, что, затрудняет их использование для расчета структуры звукового поля внутренних помещений инженерных объектов и транспортных средств. Кроме этого, в вышеприведенных работах представленные методы ориентированы на оценки общих уровней воздушного шума в помещениях, что не позволяет получить полную объемную картину распределения звукового поля.

На сегодняшний день, наиболее перспективным подходом к решению задачи колебаний акустической среды являются методы численного моделирования. Значительный вклад в решение задачи взаимодействия акустической среды с упругой конструкцией с использованием метода конечных элементов внесли ученые Ленинградского Кораблестроительного Института В.А.Постнов, А.И.Фрумен, Е.А.Волков, А.Ю.Душин, А.Ю.Петров. В последние время для решения проблемы взаимодействия системы «структура-среда» стал интенсивно использоваться совместный метод конечных и граничных элементов (МКЭ/МГЭ). В период 80-90-х годов появилось значительное количество публикаций [33-53], посвященных данной проблеме. Сегодня этот математический аппарат реализован в двух программных комплекса: SYSNOISE (LMS, Бельгия) и NASHUA (США, Тейлоровский центр). Они предназначены как для многопроцессорных машин и профессиональных рабочих станций, так и для персональных компьютеров типа IBM PC. Пакет NASHUA по имеющимся публикациям ориентирован на совместное применение с КЭ программным комплексом NASTRAN. Акустическая система SYSNOISE используется практически со всеми распространенными КЭ системами и, на сегодняшний день, является безусловным лидером по степени распространенности на западном рынке. В то же время на отечественном рынке, в силу достаточно высокой стоимости, SYSNOISE не нашел сколь-нибудь широкого применения. Кроме этого, следует подчеркнуть, что основные тонкости построения математических моделей, алгоритмы расчета, как впрочем, и исходные тексты программ являются коммерческой тайной производителя программного продукта и в печати не публикуются.

Достоверность результатов расчета, полученных с использованием созданного программного комплекса, подтверждена сопоставлением большого количеством численных и экспериментальных исследований различных инженерных конструкций, проведенных в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова с конца 80-х годов по настоящее время [5,6,9,10,19-27,61-64]. Перечисленные работы позволили вывести программный комплекс ACULA на уровень мировых пакетов как по сложности (объему) численно моделируемых объектов, так и по удобству использования пакета исследователем-расчетчиком. Научная новизна представляемой работы и заключается в том, что впервые представлены математические модели и алгоритмы связанных колебаний системы «структура-среда», на основе совместного использования МКЭ и МГЭ, предназначенные для расчета излучения инженерных конструкций во внутренние замкнутые объемы с учетом эффектов звукопоглощения и в области низких звуковых частот. В представленных алгоритмах расчета отсутствуют ограничения на форму излучающей поверхности и сложность конструкции, что позволяет производить исследования виброакустических характеристик широкого класса инженерных объектов. Целями настоящей работы являются:

- совершенствование математических моделей, алгоритмов и программных разработок для расчета акустических характеристик излучения во внутренние замкнутые объемы;

- разработка на их основе модулей программного комплекса по расчету вибрационных и акустических характеристик внутренних полей сложных пространственных объектов, включая автомобильные, морские, воздушные и другие транспортные средства с учетом средств звукопоглощения в низкочастотном диапазоне;

- численные исследования вибрационных и акустических характеристик проектируемых и создаваемых в настоящее время объектов морской техники и автомобилей с целью улучшения их шумовых характеристик и повышению конкурентоспособности на потребительском рынке.

В первой главе разработаны математические модели и алгоритмы расчета связанных колебаний системы «структура-среда» на основе МКЭ/МГЭ для излучения во внутренние замкнутые объемы. Приведены алгоритмы расчета для систем с наличием звукопоглощающих материалов, а также представлены примеры использования алгоритмов МГЭ в низкочастотном диапазоне.

Во второй главе описан программный комплекс по расчету виброакустических характеристик сложных инженерных сооружений ACULA 3.1. Рассмотрен алгоритм работы и порядок применения программного комплекса. Сделан обзор графического интерфейса пользователя. Приведены результаты тестирования программного комплекса на моделях, имеющих аналитическое решение.

Третья глава посвящена исследованию акустических характеристик салонов и обитаемых модулей объектов автомобильной и железнодорожной промышленности и морской техники соответственно. Представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований акустических характеристик пассажирской каюты судна ледового плавания (СЛП). Приведено расчетно-экспериментальное исследование виброакустических характеристик конструкции кабины автомобиля МАЗ. Представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований акустических характеристик эластичной изолирующей оболочки межвагонного перехода высокоскоростного поезда.

В четвертой главе представлены результаты модификации программного комплекса применительно к задачам внешнего излучения. На примере СЛП исследованы динамические и акустические характеристики реальных объектов морской техники. Приведены результаты расчетов акустических характеристик глушителя автомобиля МАЗ 630300.

На защиту выносятся:

- принципы построения математические моделей и алгоритмов, описывающих связанные колебания системы «структура-среда» для задачи излучения во внутренние замкнутые объемы на основе совместного использования МКЭ и МГЭ; численные методы расчета, реализованные в программном комплексе по расчету характеристик акустических полей внутри кают пассажирских судов, модулей транспортных средств и инженерных сооружений, с целью обеспечения экологических характеристик шумовых полей внутри помещений на всех стадиях проектирования;' результаты расчетного исследования по акустически рациональному проектированию кают пассажирских судов; результаты численного исследования виброакустических характеристик кабины и отдельных компонентов автомобиля, принципы построения математических моделей излучения частично погруженных в воду объектов морской техники и численные методы расчета на примере Челночного ледового танкера (4JIT).

Заключение

В результате выполненной диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

1. Разработаны математические модели и алгоритмы связанных колебаний системы «структура-среда», на основе совместного использования МКЭ и МГЭ, предназначенные для расчета излучения инженерных конструкций во внутренние замкнутые объемы с учетом эффектов звукопоглощения и в области низких звуковых частот. В представленных алгоритмах расчета отсутствуют ограничения на форму излучающей поверхности и сложность конструкции, что позволяет производить исследования виброакустических характеристик широкого класса инженерных объектов.

2. Разработанный аппарат реализован в программном комплексе ACULA 3.1. Программный комплекс включает в себя интерфейсы к современным КЭ системам мирового уровня PATRAN, NASTRAN,

Л ANSYS 5.x и модуль по визуализации объемного распределения звуковых полей внутри помещений. Это значительно ускоряет процесс численного моделирования, обработку результатов вычислений и, в конечном итоге, разработку рекомендаций по совершенствованию конструкций. Программный комплекс способен раздельно производить анализ систем типа «структура-вода» и «структура-воздух».

3. В качестве проверки достоверности результатов расчетов, выполненных с использованием разработанного программного комплекса, проведено сравнение результатов численного расчета с s экспериментальными данными. Получено хорошее совпадение расчетных и экспериментальных результатов. Сделан сравнительный анализ результатов, полученных с помощью бельгийского программного комплекса SYSNOISE. Выявлено практически полное совпадение результатов, как по спектру полной излучаемой мощности, так и по уровням звуковых давлений на излучающей поверхности моделей и в акустической среде.

Выполнены численные исследования виброакустических характеристик каюты пассажирского судна, кабины автомобиля МАЗ и эластичной звукоизолирующей оболочки высокоскоростного поезда, определены принципы подбора составных элементов конструкции с целью уменьшения внутреннего шума в помещениях транспортных средств.

Представлены перспективы дальнейшего развития и использования разработанного программного комплекса в задачах внешнего излучения применительно к анализу звукоизлучения надводного судна и глушителя автомобиля.

Разработанный программный комплекс внедрен при проведении численного компьютерного моделирования различных транспортных средств в ФГУП ГНЦ РФ «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова», на Минском автомобильном заводе при численном исследовании виброакустических характеристик кабины автомобиля МАЗ.

1. Simin N., Yuogov N., Zavgorodni V. etc. Multitask computer program for Acoustic and Nonlinear Strucrural Problems Solution. Proceeding of the Second International Symposium "Transport Noise and Vibration" St.Peterburg. Russia. 1994.

2. Инструкция пользователя программного комплекса по расчету вибрации и звукоизлучения плоских и осесимметричных конструкций судовых помещений и корпусов судов. Т.О. ЦНРШ им. акад. А.Н. Крылова. Вып. 36685, 1994.

3. Разработка алгоритмов и программного комплекса по расчету шумоизлучения корпусов судов и судовых помещений с целью выработки концепции создания автоматизированных систем проектирования. Т.О. ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Вып. 36978, 1995.

4. Инструкция пользователя программного комплекса по расчетувибрации и звукоизлучения плоских, осесимметричных и трехмерных конструкций корпусов судов. Т.О. ЦНИИ им. акад.

5. А.Н. Крылова. Вып.38340, 1996.

6. Ионов А.В., Симин Н.О., Югов Н.В. Акустическая оптимизация многоотсечных цилиндрических оболочек методом конечных элементов. Техническая Акустика, Т. II. Вып.3(5). 1993. С.8-12.

7. Разработка конверторов и интерфейсов для двумерной и трехмерной проблем между модулями программ конечно- и гранично-элементного моделирования. Технический отчет ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. Вып. 38309, 1996 г.

8. Инструкция пользователя программного комплекса по расчету вибрации и звукоизлучения плоских, осесимметричных и трехмерных конструкций корпусов судов. Технический отчет ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. Вып. 38340, 1996 г.

9. Симин Н.О., Югов Н.В. Исследование собственных частот и форм колебаний замкнутых оболочек, заполненных жидкостью. Доклад на XI Всесоюзной Акустической конференции г.Москва, 1991 г.

10. Ионов А.В., Югов Н.В. Метод конечных элементов в задачахакустики. Доклад на XI Всесоюзной Акустической конференции г. Москва, 1991 г.

11. Симин Н.О., Югов Н.В. Исследования собственных частот и форм колебаний замкнутых оболочек. Сб. рефератов ДР. ЦНИИ 'Румб",. ДР-3419/5. Вып. 6, 1992.

12. Разработка алгоритмов расчета системы «структура-среда» для внутренних замкнутых объемов. Технический отчет. ГНЦ ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова по теме A-XXXIX-121. НИР «Развитие -1.3.27», этап 2. Вып. 38982, 1997.

13. Simin N.Yugov N Acoustic Analysis System of the Structures with coating. Report Euronoise '95. Lyon. France. 1995.

14. Симин Н.О. Разработка численных методов расчета виброакустических характеристик погруженных судовых корпусных конструкций. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 1997 г.

15. Симин Н.О. Разработка численных методов расчета виброакустических характеристик погруженных судовых корпусных конструкций. Диссертация на соискание ученойстепени кандидата технических наук. ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 1997 г.

16. Югов Н.В. «Разработка численных методов математического моделирования вибро акустических характеристик и излучения.». ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, 2003

17. Боголепов И.И., Авферонок Э.И. Звукоизоляция на судах JT. Судостроение, 1970.

18. Боголепов И.И. Промышленная звукоизоляция. JT. Судостроение, 1986.

19. Тольский В.Е. Виброакустика автомобиля. М.: Машиностроение, 1988.

20. В.Е.Тольский, JI. В. Корчемный, Г.В.Латышев, Л.М.Минкин Колебания силовогоагрегата автомобиля. М.: Машиностроение, 1976.

21. SYSNOISE (SYSTEM ACOUSTIC ANALYSIS). NIT, LEUVEN-Belgium. 1992, 6 p.

22. George H. Succi. The interior acoustical field of an automobile cabin. JASA, Vol. 81, No 6, June 1987, 16881894.

23. K.A.Hussain Boundary Element Analysis of Low Frequency Cavity Acoustical Problems. J. Sound and Vibration, 1994.Vol.169. Number 2. P. 197-209.

24. Youichhi Iwasaki, Hiroshi Kawabe Fundamental studies on Underwater Sound Radiated from a Vibrating Ship Hull. Naval

25. Architecture and Ocean Engineering, Vol.28.1988 P.149-162.

26. Harry A.Schenck Improved Integral Formulation for Acoustic Radiation Problems. J.Acoustic Soc.America, 1968. Vol. 44. P.41-58.

27. M. Хекл, X.A. Мюллер, Справочник по технической акустике, Судостроение ,1980.

28. Jayant S.Patel Radiation and Scattering from an Arbitrary Elastic Structure using Consistent Fluid Structure Formulation. Computers ©Structures. Vol.9 P.287-291.

29. H.Huang Asymptotic fluid-structure interaction theories for acoustic radiation prediction. J.Acoustic Soc.America,1985.Vol. 77. N4. P.1389-1394.

30. Ian C. Mathews Numerical techniques for thre-dimensional steady-state fluid-structure interaction. J.Acoustic Soc.America, 1986.Vol. 79. N5. P.1317-1325.

31. M.F.Werby and L.H.Green An extended unitary approach for acoustical scattering from elastic shells immersed in a fluid. J.Acoustic Soc.America, 1983.Vol. 74. N2. P.625-630.

32. John T. Hunt, Max R.Knittel, and Don Barach Finite element approach to acoustic radiation from elastic structures. J.Acoustic Soc.America,1974.Vol. 55. N2. P.269-280.

33. D. J. NEFSKE, "Acoustic finite element analysis of the automobile passenger compartement with absorption materials", Research publication GM R-4919, General motors, 1985.

34. S.Suzuki, S.Maruyama, H.Ido, "Boundary element analysis of cavity noise problems with complicated boundary conditions", J. Sound and Vibration, 1989.Vol.130. Number 1. P.79-91.

35. С. M. PIASZCZYK, J. M. KLOSNER, "Acoustic radiation from vibrating surfaces at characteristic frequencies", Journal Acoustic. Soc. Am. 75, 363-372, 1984.

36. A. J. BURTON, G. R. MILLER, "The application of integral equationmethods to the numerical of some exterior boundary-value problems", Proc. R. Soc. London, Ser. A 323,201-210, 1971.

37. D.S. Burnett, "A three dimensional acoustic infinite element based on a prelate spherical multiple expansion," J. Acoustic. Soc. Am. 96, 2798-2816(1994).

38. George H. Succi. The interior acoustical field of an automobile cabin. JASA, Vol. 81, No 6, June 1987, 16881894.

39. O.C. ZIEKIEWICZ, P. BETTESS "Fluid-structure interaction" Proc.Ocean Dynamics Symposium, Oregon State Univercsity, Corvalis, 1982, 65-102.

40. G.E.EVERSTINE "A symmetric potential formulation for fluid-structure interaction" Journal of Sound and Vibration, 79(1), 157-160, 1981.

41. H.HUANG "Helmholtz integral equations for fluid-structure interaction" Advances in fluid-structure Interaction,ASME,N.Y.AMD Vol 64, 19-38,1984.

42. Gordon C. Evestine Francis M. Henderson Coupled finite element/boundary element approach for fluid-structure interaction. J.Acoustic Soc.America, 1990.Vol. 87. N5. P.1938-1947.

43. Ионов A.B., Югов Н.В, Минин Р.А Разработка интерфейсных модулей взаимодействия между системой MSC.Patran и программным комплексом ACULA 3D на основе средств PCL. Доклад на VI Российской конференции пользователей систем MSC, 2003 г.

44. Югов Н.В., Минин Р.А. Программный комплекс на основе МКЭ/МГЭ по расчету воздушного шума в помещениях. Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, сб.: «Акустические проблемы большого города». Конверсионные работы". Вып. 15, 2003.

45. Бородицкий Л.С., Спиридонов В.М. Снижение структурного шума в судовых помещениях. Л.: Судостроение, 1974

46. Клюкин И.И., Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах, Л .'Судостроение, 1977.

47. Латышев Г.В. Исследования вибрационных напаряжений в картерных деталях силового агрегата автомобиля. Тр.НАМИ.1970 №123.с. 3-9.