Development of vibroacoustic models to predict the near field response of a stiffened cylindrical multilayered shell
Développement de modèles vibro-acoustiques pour prédire le champ proche d’une coque cylindrique raidie munie de revêtements acoustiques
Résumé
SONAR antennas are used in submarine warfare for acoustic detection of enemy ships. Their performance depends on the capacity of the antenna processing to bring out the signal to be detected, and its ability to overcome the surrounding background noise after treatment. Vibro-acoustic models will be developed to simulate the signal response at the sensors of a flank antenna attached to the submarine shell. These models will have to take into account viscoelastic coatings fixed on the steel hull and allow the simulation of the signal response over a wide frequency range. Two numerically robust models are developed, allowing the management of an arbitrary number of homogeneous elastic solid layers or intermediate fluid layers. Both models assemble the multilayered structure by a global matrix system, taking into account the coupling with internal (air) and external (water) fluids. Particular attention is paid to the circumvention of the numerical problems encountered during the developments. Furthermore, the internal stiffeners intended to reinforce the structure are local inhomogeneities along the axis of the shell which introduce dispersions on the signal response of the sensors as a function of their relative position. Their influence is taken into account by considering a periodic spacing, and the dynamics of each stiffener will be modeled by a thin shell model under finite elements. A spectral formalism developed during the study allows the coupling of the multilayered structure with the periodic stiffeners array. The models are validated from cross-validation with finite element simulations that are very expensive in computing resources. The results obtained on realistic configurations of submarines, with or without the network of stiffeners, show their interest in understanding the signal response of flank antennas.
Les antennes SONAR sont utilisées en lutte sous-marine pour la détection acoustique des navires adverses. Leurs performances dépendent de la capacité de l'antenne et de son traitement par formation de voies à faire ressortir le signal à détecter, et à sa capacité à s'affranchir du bruit de fond environnant après traitement. On cherchera à développer des modèles vibro-acoustiques simulant la réponse en signal au niveau des capteurs d'une antenne de flanc fixée sur la coque résistante du bâtiment. Ces modèles devront prendre en compte des revêtements viscoélastiques fixés sur la coque d'acier et permettre la simulation des réponses en signal sur une large plage fréquentielle. Deux modèles robustes numériquement sont développés, permettant la gestion d'un nombre arbitraire de couches solides élastiques homogènes ou de couches fluides intermédiaires. Les deux modèles assemblent la structure multicouche par un système matriciel global, tenant compte du couplage avec les fluides interne (l'air) et externe (l'eau). Une attention particulière est portée sur le contournement des problèmes numériques rencontrés lors des développements. Par ailleurs, les raidisseurs internes destinés à renforcer la structure sont des inhomogénéités locales suivant l'axe de la coque introduisant des dispersions sur la réponse en signal des capteurs en fonction de leur position. Leur influence est prise en compte en considérant un réseau périodiquement espacé, et la dynamique de chaque renfort sera modélisée par un modèle coque mince sous éléments finis. Un formalisme spectral développé lors de l'étude permet le couplage de la structure multicouche avec le réseau périodique de renforts internes. Les modèles sont validés à partir de comparaisons croisées avec des simulations éléments finis très coûteuses en ressources informatiques. Les résultats obtenus sur des configurations réalistes de sous-marins, en présence ou non du réseau de raidisseurs, montrent leur intérêt pour appréhender la réponse en signal des antennes de flanc.