071-基于邊界元計(jì)算的船舶機(jī)械設(shè)備水下輻射噪聲分析

基于邊界元計(jì)算的船舶機(jī)械設(shè)備水下輻射噪聲分析謝志強(qiáng)中國艦船研究設(shè)計(jì)中心船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北,武漢,430064摘要：機(jī)械設(shè)備是船舶水下輻射噪聲的主要噪聲源，本文采用有限元（FEM）和邊界元(BEM)聯(lián)合求解的數(shù)值計(jì)算方法對某船舶機(jī)械設(shè)備水下輻射噪聲進(jìn)行研究。以某科考船船機(jī)艙段和流體域的流固耦合模型為研究對象，將不同安裝狀態(tài)下的某設(shè)備臺架實(shí)驗(yàn)機(jī)腳振動(dòng)加速度級作為激勵(lì)載荷輸入，利用有限元軟件計(jì)算出艙段結(jié)構(gòu)濕表面結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移響應(yīng)，導(dǎo)入邊界元軟件LMSSysnoise利用直接邊界元方法進(jìn)行計(jì)算，得到了兩種安裝狀態(tài)下機(jī)械設(shè)備的水下輻射噪聲。關(guān)鍵詞：sysnoise；水下輻射噪聲；有限元法；直接邊界元法NumericalcalculationofunderwaternoiseradiationfrommachinebyBEMmethodXIEZhi-qiang（NationalKeyLaboratoryonShipVibration&Noise,ChinaShipDevelopmentandDesignCenter,Wuhan430064，China）Keywords：sysnoise；underwaternoiseradiation；finiteelementmethod;directboundaryelementmethod引言機(jī)械設(shè)備是中低航速下船舶水下輻射噪聲的主要噪聲源，也是影響船舶舒適性的主要振源，為此在特種船舶、軍船上主要的設(shè)備都采取了諸如浮筏、雙層隔振、單層隔振等在內(nèi)的多種減振降噪措施[1]。減振對于降低機(jī)械設(shè)備的水下輻射噪聲的好處是毋庸置疑的，但機(jī)械設(shè)備輻射噪聲是多少，在總體輻射噪聲總所占份額是多少，需不需要采取減振降噪措施以及采取什么程度的措施在船舶的方案設(shè)計(jì)階段尚不清晰。本文針對上述現(xiàn)狀開展某科考船主要設(shè)備剛性及彈性兩種安裝狀態(tài)下引起的水下輻射噪聲數(shù)值計(jì)算分析研究，可以為船舶的減振降噪設(shè)計(jì)提供參考。機(jī)械設(shè)備引起的水下輻射噪聲計(jì)算理論及計(jì)算流程根據(jù)振動(dòng)傳遞理論[2]，機(jī)械設(shè)備機(jī)腳p點(diǎn)施加載荷則引起船體外板l點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)可以表示為：（1）上式中，為設(shè)備機(jī)腳到船體外板的傳遞函數(shù)，F(xiàn)為設(shè)備激勵(lì)載荷，為復(fù)模態(tài)頻率，為復(fù)振型，為結(jié)構(gòu)的復(fù)模態(tài)質(zhì)量。從式（1）可看出船體外板的振動(dòng)響應(yīng)與激勵(lì)載荷、船體結(jié)構(gòu)等參數(shù)有關(guān)。得到船體外板的振動(dòng)響應(yīng)后，根據(jù)經(jīng)典的結(jié)構(gòu)聲輻射理論[3]，船體結(jié)構(gòu)的輻射聲功率可以用下式表示：（2）上式中，為流體密度，c為流體中聲速，為船體結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)速度，為船體結(jié)構(gòu)的輻射效率，S為船體與流體接觸的濕表面面積。根據(jù)輻射聲功率和聲壓的關(guān)系，可以推導(dǎo)出距離聲源r米處的聲壓P為[4]：（3）結(jié)合上述理論，機(jī)械設(shè)備水下輻射噪聲數(shù)值計(jì)算流程如圖1所示，本文中設(shè)備、船體、流體及頻率響應(yīng)分析采用有限元軟件進(jìn)行建模，直接邊界元及遠(yuǎn)場水聲計(jì)算采用LMSSysnoise。由于機(jī)械設(shè)備振動(dòng)引起的水下輻射噪聲以中低頻為主，同時(shí)隨著分析頻率的提高，其計(jì)算時(shí)間也隨之增加，因此計(jì)算頻率范圍為20～200Hz。圖1機(jī)械設(shè)備水下輻射噪聲計(jì)算流程圖機(jī)械設(shè)備引起的船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分析以某船機(jī)艙段為參照，建立了機(jī)械設(shè)備艙及艏艉相鄰艙在內(nèi)的三個(gè)艙室模型，機(jī)艙段長35米。為保證模型的準(zhǔn)確性，影響船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的結(jié)構(gòu)都予以考慮，包括縱向和橫向的主結(jié)構(gòu)等，作為機(jī)械設(shè)備的支撐平臺，設(shè)備基座模型進(jìn)行詳細(xì)建模。機(jī)械設(shè)備剛性安裝則設(shè)備與基座直接連接，彈性安裝則通過隔振器與基座相連。艙段的板材結(jié)構(gòu)均采用四邊形（Quad4單元）和三角形（Tria3單元）板單元，龍骨和橫梁等主承力構(gòu)件采用梁單元（Beam單元），設(shè)備采用集中質(zhì)量（0DMass單元），流體采用六邊形體單元（Solid單元），設(shè)備與船體連接采用MPC單元，隔振器采用Bush單元。艙段有限元模型及流固耦合模型如圖3所示。計(jì)算模型中材料屬性定義對于彈性船體部分密度=7850kg/m3，彈性模量E=2.1e11N/m3,泊松比=0.3；流體介質(zhì)計(jì)算參數(shù)海水密度=1025kg/m3，海水中聲速c=1460m/s,參考聲壓取為1e-6Pa。圖2艙段流固耦合模型機(jī)械設(shè)備激勵(lì)采用某設(shè)備剛性和彈性臺架測量結(jié)果，測量系統(tǒng)為B&K3560D型噪聲振動(dòng)多分析系統(tǒng)，加速度傳感器為B&K4513加速度計(jì)，計(jì)算公式如式（4）所示。從圖3中可以看出機(jī)械設(shè)備彈性安裝狀態(tài)下其機(jī)腳振動(dòng)加速度級較剛性安裝不同程度的放大。（4）上式中：—機(jī)腳各測點(diǎn)振動(dòng)加速度級能量平均值，dB；—機(jī)腳測點(diǎn)數(shù)量；—各測點(diǎn)振動(dòng)加速度級，dB。經(jīng)隔振器衰減后機(jī)械設(shè)備基座振級如圖4所示，除25Hz中心頻率處基座振級放大外其他頻率基座振級都較機(jī)腳振級低，20Hz-200Hz范圍內(nèi)彈性安裝的機(jī)械設(shè)備隔振效果為7.0dB。以艙段結(jié)構(gòu)和流體的流固耦合模型及機(jī)械設(shè)備振動(dòng)載荷作為輸入，利用有限元軟件進(jìn)行頻率響應(yīng)分析計(jì)算得到艙段外板的位移振動(dòng)響應(yīng)。圖3機(jī)械設(shè)備機(jī)腳平均加速度級圖4電機(jī)彈性安裝機(jī)腳和基座振級船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的水下輻射噪聲預(yù)報(bào)通過建立艙段聲學(xué)網(wǎng)格，以有限元軟件計(jì)算得到的外板位移響應(yīng)作為輸入條件，采用直接邊界元法進(jìn)行計(jì)算可以得到艙段外場任意點(diǎn)處的水下輻射噪聲聲壓值，本文采用LMSSysnoise軟件進(jìn)行計(jì)算。由于只計(jì)算艙段水線以下外板聲場輻射問題，且直接邊界元法只能計(jì)算封閉結(jié)構(gòu)的內(nèi)場或外場問題，將水線以下艙段外板網(wǎng)格模型導(dǎo)入LMSSysnoise軟件。除外板以有限元軟件計(jì)算的振動(dòng)位移結(jié)果作為輸入外，艙段兩端節(jié)點(diǎn)定義位移響應(yīng)為0，將自由液面定義壓力為0。艙段邊界元計(jì)算模型如圖7所示。計(jì)算模型中定義海水密度=1025kg/m3，海水中聲速c=1460m/s,參考聲壓取為1e-6Pa。一般來講，為了滿足有限元計(jì)算中薄板彎曲波長的要求，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的比較小，但是由于模型比較大，如果直接將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格當(dāng)作聲學(xué)網(wǎng)格，其節(jié)點(diǎn)較多，計(jì)算時(shí)間相對較長，本文采用網(wǎng)格插值的方法進(jìn)行擬合，LMSSysnoise對于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和聲學(xué)網(wǎng)格之間的插值提供了三種不同的方法（代號0、1、2），分別針對幾何形狀和網(wǎng)格密度相同、幾何形狀相同，網(wǎng)格密度不同、幾何形狀和網(wǎng)格密度均不同三種情況。圖5為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格插值到聲學(xué)網(wǎng)格示意圖，一般通過設(shè)定插值個(gè)數(shù)及其距離來保證插值結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖6為插值前后節(jié)點(diǎn)數(shù)及計(jì)算時(shí)間比較，可見采用差值方法可以大幅度提高計(jì)算效率。圖5結(jié)構(gòu)網(wǎng)格插值到聲學(xué)網(wǎng)格示意圖圖6插值前后節(jié)點(diǎn)數(shù)及計(jì)算時(shí)間比較艙段聲學(xué)邊界元模型如圖7所示，剛性和彈性兩種安裝條件下機(jī)械設(shè)備引起的單機(jī)水下輻射噪聲結(jié)果如圖8所示，從圖中可見除少數(shù)頻率點(diǎn)外彈性安裝的機(jī)械設(shè)備單機(jī)輻射噪聲比剛性狀態(tài)要低，采取減振降噪措施能夠有效的降低機(jī)械設(shè)備引起的水下輻射噪聲。圖7艙段聲學(xué)邊界元模型圖8機(jī)械設(shè)備水下輻射噪聲計(jì)算結(jié)果結(jié)論以機(jī)械設(shè)備振動(dòng)引起的水下輻射噪聲為研究目標(biāo)，利用數(shù)值計(jì)算方法對機(jī)械設(shè)備水下輻射噪聲預(yù)報(bào)進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：1）結(jié)合振動(dòng)傳遞和結(jié)構(gòu)聲輻射理論，提出了機(jī)械設(shè)備單機(jī)水下輻射噪聲數(shù)值計(jì)算仿真流程；2）利用有限元計(jì)算軟件，建立了某科考船艙段和流體的流固耦合模型，以設(shè)備臺架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為激勵(lì)特性，得到艙段外板的振動(dòng)位移響應(yīng)數(shù)據(jù)，并利用直接邊界元法和LMSSysnoise軟件計(jì)算得到其單機(jī)水下輻射噪聲；3）兩種安裝狀態(tài)計(jì)算結(jié)果對比表明，20Hz-200Hz范圍內(nèi)彈性安裝的機(jī)械設(shè)備隔振效果為7.0dB，單機(jī)水下輻射噪聲也有所降低，機(jī)械設(shè)備彈性安裝將有利于降低整船的水下噪聲。參考文獻(xiàn)：[1]SONCINIG，BONETTIE.MethodsandresultinsilencingpropulsionandelectricgenerationsystemsonNATORValliance[A]，UDT'90：461–471.[2]傅志方，華宏星等.模