| |
 |
| |
Масштабная модель корабля на полигоне во время испытаний
|
Создание сложных конструкций с заданными виброакустическими характеристиками (акустическое проектирование) требует развития вычислительных технологий проектирования и методов испытаний. Актуальность задачи, например для кораблей или самолетов, обусловлена высокой ценой проектной ошибки, а ее сложность — необходимостью обеспечить оперативный анализ вариантов конструкции, которые наилучшим образом соответствуют реальным условиям функционирования, и жесткими требованиями к точности прогноза.
В ИПФ РАН развит подход на основе взаимодействия масштабного физического моделирования, построения численных конечно-элементных моделей (КЭМ) и их экспериментальной верификации. При конструировании по эскизным чертежам создается численная модель прототипа, позволяющая детально исследовать виброакустические характеристики системы для разных конструктивных решений, изготавливается физическая геометрически подобная модель в заданном масштабном соотношении, обеспечивающая получение данных натурных измерений, возможность доводки параметров численной модели и проверки ее рекомендаций. В результате достигается высокая степень соответствия прогноза с характеристиками реальной системы до ее появления в полном масштабе. Одно из приложений такого комплексного подхода — акустическое проектирование кораблей.
Для обеспечения технологического цикла акустического проектирования разработаны и освоены несколько методов измерений, созданы инструментальная и испытательная базы, поддерживаются на высоком уровне вычислительные мощности и совершенствуются алгоритмические и программные средства численного анализа, а именно:
• использовался метод взаимности для исследования коэффициентов передачи переменных сил во внешнее поле, частот и акустически активных форм колебаний и эффективности примененных средств акустической защиты;
• разработана система вибродатчиков, гидрофонов и вибраторов со сбором данных и управлением возбуждением для испытаний модели с количеством измерительных каналов порядка 500;
• освоен вычислительный кластер на 256 процессорах для численных экспериментов на КЭМ с несколькими десятками миллионов узлов;
• создан алгоритм суперэлементных вычислений для ускорения расчетов по вариантам конструкций.
|
|
|
Конечно-элементная модель корабля с вычисленным распределением давления
|
|
Верификационное сопоставление расчетно-
экспериментальных данных
|
Использование новых расчетных алгоритмов позволило существенно расширить возможности акустического проектирования, в том числе успешно решать задачи акустической оптимизации конструкций по смешанным акустико-прочностным критериям с учетом пластических деформаций, что актуально для объектов с экстремальными динамическими и статическими нагрузками.
Расчетные методы, как выяснила экспериментальная проверка, оказались пригодны по точности для определения силы цели упругих тел с произвольной геометрией и внутренней структурой. В частности, появляется возможность выявлять влияние корпусных резонансов объекта и его внутренней структуры на поперечник рассеяния.
В настоящее время технология численного моделирования, разработанная в ИПФ РАН, позволяет осуществлять прямое численное моделирование без приближений, связанных с особенностями масштабирования, вибрационного и акустического полей в натурных объектах морской техники в достаточно широком частотном диапазоне. На рисунке показан один из «кадров» картины взаимодействия плоской акустической волны с корпусом корабля при решении задачи с заданными начальными условиями, позволяющей анализировать свойства рассеянного поля, вибрационные характеристики, ударную стойкость, излучательную способность корпуса.
Получаемая точность конечно-элементных моделей дает возможность использовать их не только для расчета уровня излучения, но и для решения обратных задач, когда в качестве исходных данных берутся результаты измерений:
• при поиске источников виброактивности с применением метода обращения волнового фронта, модифицированного для вибрационного поля (П. И. Коротин);
• при определении вклада отдельных механизмов в суммарное поле конструкции, если есть сигналы от сторонних источников (А. С. Суворов, П. В. Артельный).
 |
Механическая конструкция с комплектом датчиков вибраций (стрелкой показан вибратор) (слева) и результат локализации источника по измерениям вибрационного поля (справа). Темная область на КЭМ-конструкции — фокальное пятно после обращения волнового фронта вибрационного поля
|
