1、基于ANSYS在水声目标探测中的应用1 前言有限元法(Finite Element Method, FEM)的根本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体，是一套求解微分方程的系统化数值计算方法，它比传统解法具有理论完整、物理意义直观明确、解题效能强等优点，其适应性强，形式单纯、标准，现已被广泛应用到许多工程技术和科学研究领域。常见声纳目标的特性是多种多样的，因而计算也是比拟复杂的。例如为了方便计算声纳目标的强度，通常要将目标假设成理想的条件，如假定成刚性不动的球、柱等，由此计算得到的结果，尽管误差很大，但仍可以看作实际的目标。为了计算目标的线谱，需要对目标进
2、行模态计算。采用有限元法可以对目标在结构上做出更少近似，还可以对不同材料构成的复杂目标进行建模，也很容易得到仿真结果。下面就水雷、鱼雷两种目标特性进行有限元计算。声纳就是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。目前，声纳是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪;进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。此外，声纳技术还广泛用于鱼雷制导、水雷引信，以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等。2 水雷目标强度计算水雷是布设在水中的一种爆
3、炸性武器，它可由于舰船碰撞或进入其作用范围而起爆，用于毁伤敌方舰船或阻碍其活动。水雷具有隐蔽性好、布设简便、造价低廉等特点，按水中的状态区分，有触发水雷，非触发水雷和控制水雷。水雷呈球形，为了便于计算其目标强度，常将其假定成刚性不动的球体，其物理模型如图1所示，假定球体直径为 200mm，平面声波平行入射到球体上，对应的有限元模型，如图1(b)所示(局部模型)。为了提高计算速度，采用轴对称模型，球体可采用 plane13、plane42等单元类型，流体单元类型为fluid29(absent、present)，及无限声吸收单元 fluid129;网格划分的大小约为/4/8;图2是 300Hz时的
4、球体目标强度方位图。 对于刚性不动球的目标强度理论计算公式为： TS =10lg(61.7V2/4)(式中V为小球的体积，为入射波的波长)，但须满足两个条件 ka1，对于直径为200mm的刚性小球， 300Hz的目标强度为-57.6dB，与有限元的结果相同。 图2 300Hz 时的目标强度的方位3 鱼雷噪声线谱计算在海战中鱼雷是水中常使用的武器，现在的鱼雷发射后可自己控制航向与深度，遇到舰船，只要接触就可爆炸，它具有航行速度快、航程远、隐蔽性好、命中率高和破坏性大等特点，可以说明是“水中导弹。鱼雷雷身形状似柱形，头部呈半圆形，以减小航行中的阻力。前部为雷头，装有炸药和引信，中部为雷身，装有导航
5、及控制装置，后部为雷尾，装有发动机和推进器等动力装置。按雷身直径分大于533mm 的为大型鱼雷，400450mm的为中型鱼雷，小于324mm 的为小型鱼雷。 图3 鱼雷的线谱分布 图4 声场中的能量分布在水声目标探测中，鱼雷的探测常常是被动探测，即探测鱼雷的噪声，检测其线谱进行目标识别。鱼雷的噪声主要是动力装置引起的噪声，包括螺旋桨的噪声及其激发起的各种噪声， 本文针对动力装置激发的噪声进行了计算。我们假定了一个简单的模型，为了计算方便和计算速度，采用了轴对称2D 模型建模，计算得到的噪声谱如上图3 所示。由于计算的模型简单，计算的带宽也较窄，很多模态被约束，因此线谱不够丰富。图中 500Hz左右的线谱是由雷壳局部弯曲振动引起的，对应的空间噪声场分布如图 4所示。4 结论水声目标的多样性决定着其水声参数的复杂性，这些参数不容易测量，较准确得到这些数据是非常困难的。随着计算科学技术的开展，现在的有限元计算已变的简单，能很方便的计算出各种复杂的情况，如有限元软件 ANSYS，功能非常全面，具有流固耦合的功能，一般的声学问题都可以解决，这给预报声纳目标特性参数带来了可能。通过对水雷和鱼雷两目标特性参数的计算，证明了 ansys软件在水声领域具有广阔的应用前景。