船舶噪聲模擬課件

1、Copyright Free Field TechnologiesFFT ACTRANACTRAN在船舶行業(yè)的應(yīng)用李奇 博士歡迎加入ACTRAN QQ群：812899832Copyright Free Field Technologies船舶的噪聲問題 高頻 聲納:發(fā)射, 接收 聲納遠(yuǎn)場響應(yīng) 低頻 外部噪聲: 螺旋槳噪聲 船體輻射噪聲 內(nèi)部噪聲: 聲源：柴油發(fā)動機(jī)、風(fēng)機(jī)、螺旋槳 降噪手段：吸/隔聲、隔振、消聲器3Copyright Free Field TechnologiesACTRAN 軟件背景 1998，Jean-Pierre Coyette教授、Jean-Louis Migeot教授創(chuàng)

2、立FFT公司，總部在比利時布魯塞爾，法國圖盧茲、日本東京、美國底特律設(shè)有分部 1999-2001，德國勞氏船級社、韓國大宇造船海洋公司、歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)等十一家大型企業(yè)，共同資助FFT開發(fā)ACTRAN軟件 經(jīng)典聲學(xué) 振動聲學(xué) 流動聲學(xué) ACTRAN軟件集成歐盟與船級社眾多科研項目成果，從柴油發(fā)動機(jī)噪聲、艙室噪聲、風(fēng)機(jī)噪聲分析算法，產(chǎn)品聲學(xué)設(shè)計優(yōu)化經(jīng)驗以及高性能求解技術(shù)等。4Copyright Free Field TechnologiesLocations5Copyright Free Field Technologies?；晫W(xué)部門 咨詢項目 某型飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)翼聲學(xué)設(shè)計與優(yōu)化

3、高速列車振動、氣動噪聲分析 核工業(yè)管道共振腔氣動噪聲分析、聲疲勞分析 我們的資質(zhì) 美國PMP認(rèn)證資質(zhì) 國標(biāo)認(rèn)證資質(zhì)（GB/T19001-8008） 國軍標(biāo)認(rèn)證資質(zhì)（GJB 9001B-2009） 國防三級保密資格認(rèn)證6Copyright Free Field TechnologiesACTRAN技術(shù)團(tuán)隊與支持 培訓(xùn)與教學(xué) 專題研討會 噪聲分析培訓(xùn) ACTRAN軟件培訓(xùn) 請關(guān)注http:/ 技術(shù)支持 ACTRAN QQ技術(shù)群：81289983 ACTRAN技術(shù)論壇：http:/ ACTRAN資料庫：ftp:/ACTRAN:ACTRAN7:207Copyright Fre

4、e Field TechnologiesThe ACTRAN software suiteACTRAN Vibro-AcousticsACTRAN Aero-AcousticsACTRAN TMACTRAN AcousticsACTRAN DGMACTRAN VIACTRAN for NASTRAN8Copyright Free Field Technologies國內(nèi)外船舶行業(yè)用戶 研究所/企業(yè) 國外：勞氏船級社、韓國大宇、現(xiàn)代重工、三菱重工、日立造船等 國內(nèi)：中船重工701、702、703、昆明705、西安705、708、715、719、青島海洋儀器儀表研究所、滬東重機(jī) 高等院校 上海交通

5、大學(xué)船舶學(xué)院、機(jī)械學(xué)院 哈爾濱工程大學(xué)（哈船）船舶學(xué)院、水聲學(xué)院 華中科技大學(xué) 西安交通大學(xué) 天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院 Copyright Free Field TechnologiesActran 在船舶行業(yè)的應(yīng)用Examples of shipbuilding Applications10Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在船舶行業(yè)的應(yīng)用 應(yīng)用1：換能器仿真分析 應(yīng)用2：水下航行體仿真分析 應(yīng)用3：船艙窗結(jié)構(gòu)隔聲分析-瑞利邊界元的應(yīng)用 應(yīng)用4：艦艇螺旋槳噪聲仿真分析 應(yīng)用5：拉法耶級護(hù)衛(wèi)艦聲學(xué)處理仿真分析 應(yīng)用6：柴油發(fā)動機(jī)輻射噪聲分析 應(yīng)用7：潛艇整體

6、聲學(xué)分析 應(yīng)用8：艙板聲學(xué)分析 應(yīng)用9：船用消聲器分析Copyright Free Field Technologies應(yīng)用1：換能器仿真分析12Copyright Free Field Technologies發(fā)射模型 在壓電棒界面施加0 伏和1 伏的邊界條件 計算有限元與無限元水域內(nèi)的聲壓響應(yīng)應(yīng)用1-換能器仿真分析接收模型 在壓電棒界面施加0 伏邊界條件 在無限元水域內(nèi)定義點聲源 計算壓電棒界面的電壓響應(yīng)1伏0伏徑向位移約束軸向位移約束0 伏徑向位移約束軸向位移約束電極電壓 應(yīng)力12電壓應(yīng)變1213Copyright Free Field Technologies應(yīng)用1-換能器仿真分析 壓

7、電材料屬性定義 彈性矩陣、壓電矩陣、介電矩陣 壓電棒的電壓響應(yīng)14Copyright Free Field Technologies應(yīng)用1-換能器結(jié)構(gòu)縫隙的粘熱效應(yīng)仿真 壓電換能器模型 粘熱效應(yīng)的影響 15Copyright Free Field Technologies應(yīng)用1-換能器指向性分析 換能器仿真 遠(yuǎn)場指向性 16Copyright Free Field Technologies 拖曳聲納模型 有限元模型 聲壓分布應(yīng)用1-拖曳聲納模擬17Copyright Free Field Technologies 自輻射阻抗與互輻射阻抗分析 自輻射阻抗 互輻射阻抗 輻射阻抗結(jié)果應(yīng)用1-換能器基

8、陣模擬18Copyright Free Field Technologies應(yīng)用1-水下聲散射模擬 計算使用的激勵 平面波、點聲源或壓電換能器激發(fā)的聲場 圓柱障礙物的水下聲散射19Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在船舶行業(yè)的應(yīng)用 應(yīng)用1：換能器仿真分析 應(yīng)用2：附加質(zhì)量效應(yīng) 應(yīng)用3：船艙窗結(jié)構(gòu)隔聲分析-瑞利邊界元的應(yīng)用 應(yīng)用4：艦艇螺旋槳噪聲仿真分析 應(yīng)用5：拉法耶級護(hù)衛(wèi)艦聲學(xué)處理仿真分析 應(yīng)用6：柴油發(fā)動機(jī)輻射噪聲分析 應(yīng)用7：潛艇整體聲學(xué)分析 應(yīng)用8：艙板聲學(xué)分析 應(yīng)用9：船用消聲器分析Copyright Free Field Technolo

9、gies應(yīng)用2- 附加質(zhì)量效應(yīng)Application Review21Copyright Free Field TechnologiesACTRAN 主要特性 聲場媒質(zhì)與結(jié)構(gòu)有限元可以考慮附加質(zhì)量效應(yīng) 聲學(xué)無限元計算遠(yuǎn)場聲輻射 不匹配網(wǎng)格的映射支持結(jié)構(gòu)與流體使用不同類型的網(wǎng)格 多種激勵方式與邊界條件，可以與其他CAE工具聯(lián)合分析支持真實工況的條件流體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)網(wǎng)格22Copyright Free Field TechnologiesACTRAN 模型說明無限元模擬“自由場”輻射 海平面: 壓強(qiáng)設(shè)為環(huán)境壓強(qiáng) (p=0)Actran建立一個模型，包括流體與結(jié)構(gòu).可以考慮流體對結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量效應(yīng)結(jié)構(gòu)與

10、流體耦合Actran 支持不匹配網(wǎng)格: 結(jié)構(gòu)與流體網(wǎng)格可以使用不同的單元拓?fù)湫问?(例如: 流體使用四面體單元, 結(jié)構(gòu)使用六面體單元)可以施加不同類型的激勵(結(jié)構(gòu)或聲學(xué))23Copyright Free Field Technologies結(jié)果比較水載荷: 相同頻率的結(jié)果 (70Hz). 變形不同水對結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)有非常重要的影響! 完全耦合模型無流體模型24Copyright Free Field Technologies平板模型 目的: 評價流體附加質(zhì)量效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響 比較兩個模型: 1, 流體是空氣 2, 流體是水 (高密度流體)模型尺寸: 1m * 1m 10cm 厚鋁板點力激勵鋁板

11、模型聲媒質(zhì)（自由場）Automatic Actran coupling process in both direction: fluidstructure25Copyright Free Field Technologies 遠(yuǎn)場聲壓結(jié)果 48 Hz48 Hz120.5 Hz120.5 Hz86.5 Hz86.5 Hz46.5 Hz46.5 Hz13.5 Hz13.5 Hz平板模型計算結(jié)果對比藍(lán)線: 空氣綠線: 水結(jié)論: 水作用于結(jié)構(gòu)時結(jié)構(gòu)的共振頻率向低頻移動1.出現(xiàn)水的共振頻率26Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在船舶行業(yè)的應(yīng)用 應(yīng)用1：換能器仿

12、真分析 應(yīng)用2：附加質(zhì)量效應(yīng) 應(yīng)用3：船艙窗結(jié)構(gòu)隔聲分析-瑞利邊界元的應(yīng)用 應(yīng)用4：艦艇螺旋槳噪聲仿真分析 應(yīng)用5：拉法耶級護(hù)衛(wèi)艦聲學(xué)處理仿真分析 應(yīng)用6：柴油發(fā)動機(jī)輻射噪聲分析 應(yīng)用7：潛艇整體聲學(xué)分析 應(yīng)用8：艙板聲學(xué)分析 應(yīng)用9：船用消聲器分析Copyright Free Field Technologies應(yīng)用3 船艙窗結(jié)構(gòu)隔聲分析Presented at DAGA 09Bernard Van Antwerpen, Diego dUdekem 1, Christof Weienborn 2 1 Free Field Technologies SA, Belgium, Email: be

13、rnard.vanantwerpenfft.be2 Germanischer Lloyd, Germany, Email: christof.weissenborngl-“Vibro-Acoustic simulation of structure-borne induced radiation of ship windows”28Copyright Free Field Technologies介紹 船體窗戶尺寸很大，它們往往是艦船噪聲傳入船艙的薄弱環(huán)節(jié) 需要預(yù)測不同窗戶模型的聲學(xué)性能 計算只考慮激勵以結(jié)構(gòu)振動方式，透過窗戶 空氣聲也可以很方便的加入分析典型艦船窗戶模型29Copyright

14、 Free Field TechnologiesActran 模型 窗戶使用多層玻璃: 考慮氬氣層的粘熱效應(yīng) 寬頻結(jié)構(gòu)傳遞激勵施加在環(huán)繞的框架上: 使用Rain-on-the-roof 形式激勵 利用瑞利面，計算窗戶的聲輻射模型總覽激勵瑞利面支撐板隨機(jī)激勵典型框架結(jié)構(gòu)30Copyright Free Field Technologies驗證實驗 建立全尺寸的實驗:簡化的實驗?zāi)Ｐ?修改的邊界條件)聲強(qiáng)探頭、激光掃描振動儀裝置等激振器激發(fā)結(jié)構(gòu)振動 考慮到邊界條件形式的不同，實驗與計算結(jié)果吻合較好實驗裝置實驗/計算 比較31Copyright Free Field TechnologiesACTRA

15、N在船舶行業(yè)的應(yīng)用 應(yīng)用1：換能器仿真分析 應(yīng)用2：附加質(zhì)量效應(yīng) 應(yīng)用3：船艙窗結(jié)構(gòu)隔聲分析-瑞利邊界元的應(yīng)用 應(yīng)用4：艦艇螺旋槳噪聲仿真分析 應(yīng)用5：拉法耶級護(hù)衛(wèi)艦聲學(xué)處理仿真分析 應(yīng)用6：柴油發(fā)動機(jī)輻射噪聲分析 應(yīng)用7：潛艇整體聲學(xué)分析 應(yīng)用8：艙板聲學(xué)分析 應(yīng)用9：船用消聲器分析Copyright Free Field Technologies 應(yīng)用4- 艦艇螺旋槳噪聲仿真分析Application Review33Copyright Free Field TechnologiesACTRAN / Aero-acoustics 湍流噪聲計算流程湍流噪聲計算流程CFD - LES/DES非

16、定常流場分布 壓力，速度，密度，等ACTRAN - iCFD根據(jù)CFD計算結(jié)果通過Lighthill 或 Mohring 聲類比提取湍流噪聲源 通過傅里葉變換將時域結(jié)果變換到頻域ACTRAN - Aero-acoustics 傳播iCFD計算出的流動聲源 計算聲場分布以及指定位置的聲學(xué)變量ACTRAN - VI計算數(shù)據(jù)后處理，聲場云圖及頻譜顯示From CFD to CAA .From CFD to CAA .34Copyright Free Field TechnologiesACTRAN / Aero-acoustics 計計算原理算原理 CFD計算 (URANS, LES, DNS, )

17、確定非定常流場 根據(jù)非定常流場計算結(jié)果提取流動噪聲源 Lighthill 聲類比 Mhring 聲類比體聲源區(qū)域 WsCAA 計算域 W(Actran/AA, FEM)無反射邊界 Ge控制面/面聲源 Gs測量點35Copyright Free Field Technologies Fluent LES 大渦模擬計算結(jié)果 (Vmean=5.808m/s, n=36rev/s, J=0.71) 分析結(jié)果-5000Hz聲壓分布模型與分析結(jié)果速度云圖 壓力云圖36Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在船舶行業(yè)的應(yīng)用 應(yīng)用1：換能器仿真分析 應(yīng)用2：附加質(zhì)量效應(yīng)

18、 應(yīng)用3：船艙窗結(jié)構(gòu)隔聲分析-瑞利邊界元的應(yīng)用 應(yīng)用4：艦艇螺旋槳噪聲仿真分析 應(yīng)用5：拉法耶級護(hù)衛(wèi)艦聲學(xué)處理仿真分析 應(yīng)用6：柴油發(fā)動機(jī)輻射噪聲分析 應(yīng)用7：潛艇整體聲學(xué)分析 應(yīng)用8：艙板聲學(xué)分析 應(yīng)用9：船用消聲器分析Copyright Free Field Technologies 應(yīng)用5-拉法耶級護(hù)衛(wèi)艦聲學(xué)處理仿真分析Application Review38Copyright Free Field TechnologiesPropeller Fairing with ACTRAN 這個例子研究螺旋槳噪聲在海水中的輻射，以及船舵做聲學(xué)處理的效果 法國海軍的拉法耶級護(hù)衛(wèi)艦 選取螺旋槳附近區(qū)

19、域建立模型50 m30 m15 m130 m16 m39Copyright Free Field Technologies 導(dǎo)納邊界條件 模擬船舵的聲學(xué)處理 入射旋轉(zhuǎn)管道模態(tài) 模擬真實的螺旋槳噪聲源 施加零壓強(qiáng)邊界條件空氣/水接觸面 聲學(xué)無限元允許計算遠(yuǎn)場聲輻射Key ACTRAN featuresComputation statisticsNodes100,000Elements650,000Dofs150,000RAM3.5GBCPU/freq 2 minComputer Linux 64bit (intel)螺旋槳激勵船舵的聲處理無限元( 無反射邊界 + 遠(yuǎn)場聲傳播)空氣/水界面 : 零

20、壓強(qiáng)條件 40Copyright Free Field Technologies 虛擬傳聲器設(shè)置距船體40米 (在無限元域)Results Pressure field未作聲學(xué)處理聲學(xué)處理遠(yuǎn)場指向性 最大噪聲降低3dB 聲學(xué)處理改變了指向性41Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在船舶行業(yè)的應(yīng)用 應(yīng)用1：換能器仿真分析 應(yīng)用2：附加質(zhì)量效應(yīng) 應(yīng)用3：船艙窗結(jié)構(gòu)隔聲分析-瑞利邊界元的應(yīng)用 應(yīng)用4：艦艇螺旋槳噪聲仿真分析 應(yīng)用5：拉法耶級護(hù)衛(wèi)艦聲學(xué)處理仿真分析 應(yīng)用6：柴油發(fā)動機(jī)輻射噪聲分析 應(yīng)用7：潛艇整體聲學(xué)分析 應(yīng)用8：艙板聲學(xué)分析 應(yīng)用9：船用消聲

21、器分析Copyright Free Field Technologies應(yīng)用6-柴油發(fā)動機(jī)輻射噪聲分析Application Review43Copyright Free Field Technologies4.4 m3 m1.5 m柴油發(fā)動機(jī)噪聲船用柴油發(fā)動機(jī)聲輻射研究的柴油發(fā)動機(jī)有以下特點:16V cylinders最高轉(zhuǎn)速: 1800 RPM最大功率 4320KW ( 或5900CV )結(jié)構(gòu)動態(tài)分析可以使用FEA軟件計算 (NASTRAN, ANSYS or ABAQUS )利用ACTRAN計算結(jié)構(gòu)的聲輻射聲學(xué)模型尺度可以計算到1000Hz (order 33 of RPM 1800)4

22、4Copyright Free Field Technologies計算步驟3. 后處理與結(jié)果分析FRFsWaterfallMapsWaterfall振動分析(Nastran, Ansys, Abaqus)2. 聲學(xué)分析 (ACTRAN)將振動分析結(jié)果導(dǎo)入ACTRAN + Restart Capability !45Copyright Free Field Technologies使用ACTRAN基于聲場結(jié)果重建結(jié)構(gòu)振動響應(yīng) ACTRAN/Acoustics能夠反運算: 利用一系列傳聲器測量得到的聲壓結(jié)果 ACTRAN/Acoustics重建結(jié)構(gòu)表面的法向振動速度 提取測試結(jié)果 結(jié)構(gòu)表面的振動

23、速度結(jié)果Pellicular basis acceleration zoneWith/without admittanceField Points46Copyright Free Field Technologies聲輻射貢獻(xiàn)量分析 設(shè)定不同控制面，ACTRAN可以自動統(tǒng)計結(jié)構(gòu)不同部位輻射聲能； 支持多工況計算，邊界元方法無法比擬的計算速度； 對于某一場點的貢獻(xiàn)量分析。radiating 2radiating 3radiating 4radiating 147Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在船舶行業(yè)的應(yīng)用 應(yīng)用1：換能器仿真分析 應(yīng)用2：附加質(zhì)量

24、效應(yīng) 應(yīng)用3：船艙窗結(jié)構(gòu)隔聲分析-瑞利邊界元的應(yīng)用 應(yīng)用4：艦艇螺旋槳噪聲仿真分析 應(yīng)用5：拉法耶級護(hù)衛(wèi)艦聲學(xué)處理仿真分析 應(yīng)用6：柴油發(fā)動機(jī)輻射噪聲分析 應(yīng)用7：潛艇整體聲學(xué)分析 應(yīng)用8：艙板聲學(xué)分析 應(yīng)用9：船用消聲器分析Copyright Free Field Technologies應(yīng)用7- 潛艇整體聲學(xué)分析Application Review49Copyright Free Field TechnologiesACTRAN 主要特性與外部CAE工具結(jié)合，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)振型結(jié)構(gòu)真實的振型聲學(xué)有限元/無限元，與結(jié)構(gòu)單元耦合完整的振動聲學(xué)模型，包括內(nèi)部聲場、結(jié)構(gòu)、外部聲場，考慮到附加質(zhì)量效應(yīng)以及

25、內(nèi)外壓差效應(yīng)無線單元外設(shè)置場點網(wǎng)格可以獲得遠(yuǎn)場的聲壓分布支持媒質(zhì)的非均質(zhì)特性，例如密度/鹽分/溫度 17 m74 m溫度密度深度50Copyright Free Field Technologies有限元模型 有限元模型尺寸支持計算頻率到500Hz 潛艇的表面分為兩部分: 聲納 (前端) 船體 (其余部分) 對船體施以加速度激勵 (激勵與頻率和位置相關(guān))51Copyright Free Field Technologies結(jié)果 可以獲得聲源外部的聲學(xué)結(jié)果（無限元域內(nèi)），并獲得優(yōu)良的計算精度船體聲輻射(聲壓級)聲納聲輻射- 指向性(聲壓實部)52Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在船舶行業(yè)的應(yīng)用 應(yīng)用1：換能器仿真分析 應(yīng)用2：附加質(zhì)量效應(yīng) 應(yīng)用3：船艙窗結(jié)構(gòu)隔聲分析-瑞利邊界元的應(yīng)用 應(yīng)用4：艦艇螺旋槳噪聲仿真分析 應(yīng)用5：拉法耶級護(hù)衛(wèi)艦聲學(xué)處理仿真分析 應(yīng)用6：柴油發(fā)動機(jī)輻射噪聲分析 應(yīng)用7：潛艇整體聲學(xué)分析 應(yīng)用8：艙板聲學(xué)分析 應(yīng)用9：船用消聲器分析53Copyright Free Field Technologies應(yīng)用實例8-艙板聲學(xué)特性分析 利用特殊的面單元模擬加強(qiáng)筋 不同模型比較 ACTRAN實