Page 173 - 《振动工程学报》2026年第2期

第 39 卷第 2 期 振 动 工 程 学 报 Vol. 39 No. 2
2026 年 2 月 Journal of Vibration Engineering Feb. 2026

一 般 边 界 条 件 下 复 合 圆 锥 壳 水 下 振 声 特 性 研 究

叶天贵 ， 杨宇航 ， 马相龙 ， 谢祖东 ， 靳国永 1
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（1. 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001； 2. 上海船舶设备研究所，上海 200003）
摘要：针对一般边界条件下复合材料圆锥壳水下振动与声辐射问题，本文提出了一种半解析建模和求解方法。基于一阶剪切
变形层合理论、虚拟弹簧边界约束法和 Rayleigh-Ritz 法建立了复合圆锥壳动力学方程，结合 Helmholtz 积分方程的格林函数
解得到壳体与外部流场声固耦合方程，通过联立圆锥壳动力学方程与声固耦合方程求得壳体水下振动模态、辐射声压与声功
率。与文献半解析解的对比结果验证了方法的正确性和收敛性，探究了铺层方式、边界条件和材料参数等对复合圆锥壳水下
振声特性的影响规律。结果表明：当圆锥壳总厚度和铺层材料一定时，铺层数目的改变对其水下声辐射特性影响不大，铺层
角度的改变对其水下声辐射特性影响较为显著。
关键词： 一般边界条件；复合材料圆锥壳；水下振动；水下声辐射
中图分类号：U661.44 文献标志码：A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202311040

Underwater vibroacoustic characteristics of composite conical shells
under general boundary conditions

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YE Tiangui ，YANG Yuhang ，MA Xianglong ，XIE Zudong ，JIN Guoyong 1
（1.College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；
2.Shanghai Marine Equipment Research Institute，Shanghai 200003，China）
Abstract：A semi-analytical modeling and solving method is proposed for the underwater vibroacoustic analysis of composite conical shells
with general boundary conditions. Based on the first-order shear deformation theory， virtual spring boundary constraint method and the
Rayleigh-Ritz method， the dynamic equations of the composite conical shells are derived. The Helmholtz integral equation and its Green
function solution are used to establish the acoustic-structure coupling conditions between the shell and the external flow field. The underwater
vibration mode， radiated sound pressure and sound power of the composite conical shells are obtained by solving the structural kinetic
equations and the sound-structure coupling equations synchronously. A comparison of present results with those predicted by an approximately
analytical method in open literature verifies the accuracy and convergence of the present method. Moreover， the effects of lamination
schemes，boundary conditions and material parameters on the underwater vibro-acoustic characteristics of the composite conical shells are
investigated. The results indicate that，when the thickness and material of the conical shells keep constant，the number of lamination layers has
little effect on the underwater acoustic radiation characteristics of the conical shells. However，the fiber orientations of lamination layers affect
the underwater acoustic radiation characteristics significantly.

Keywords：general boundary conditions；composite conical shell；underwater vibration；underwater sound radiation

水下潜航器作为独具特色的水下作战力量备受 针对复合材料壳体水下振动与声辐射问题，国
各 国 海 军 重 视， 而 良 好 的 声 隐 蔽 性 是 其 发 挥 机 动 内外学者从振动功率流、结构声强、辐射声压、辐射
性、突击性和提高自身生存能力的先决条件。圆柱 声功率、辐射效率等多个角度系统研究了复合材料
壳、圆锥壳、球壳等壳体结构是水下潜航器广泛采 圆柱壳、球壳水下振动声辐射特性及机理，已经发
用的基本结构单元，其声振特性预报分析是水下潜 展了解析法、数值法及解析-数值混合求解方法等多
航器定量声学设计的重要基础。近年来，随着舰船 种方法 [4-11] 。与圆柱壳和球壳相比，圆锥壳的相关研
减振降噪和轻量化需求的增加，复合材料壳体在水 究较少。这主要是由于圆柱壳和球壳为恒曲率结
下潜航器上的应用越来越广泛 [1-3] ，对其开展振动与 构，其水下振动与声辐射理论方程的求解过程相对
声辐射研究具有重要的理论价值和工程指导意义。 简单，而圆锥壳为变曲率结构，其曲率半径为轴向及

收稿日期：2023-11-21；修订日期：2024-01-18
基金项目：国家自然科学基金资助项目（52271309，52225109，52241101）