王國(guó)治, 朱金龍

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲控制對(duì)于艦船及民船,都是一項(xiàng)重要的課題．若能在設(shè)計(jì)階段就能對(duì)未來(lái)船舶的聲學(xué)性能作出較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào),這對(duì)正在進(jìn)行的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義．由于船體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,新型船舶設(shè)計(jì)的周期較長(zhǎng),船舶振動(dòng)噪聲的問(wèn)題往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)．設(shè)計(jì)部門(mén)迫切需要在方案設(shè)計(jì)階段就能了解未來(lái)船舶的聲學(xué)特性．

文獻(xiàn)[1-6]對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與噪聲進(jìn)行了廣泛的研究．但其研究對(duì)象通常是某艘確定的船舶,研究?jī)?nèi)容通常是分析其振動(dòng)噪聲特性,很少涉及船體結(jié)構(gòu)參數(shù)的修改．至于利用參數(shù)化建模技術(shù),在方案設(shè)計(jì)階段對(duì)船舶的振動(dòng)噪聲進(jìn)行比較與評(píng)估,國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道．文中針對(duì)某型船舶,以有限元分析軟件MSC.PATRAN為平臺(tái),利用其命令語(yǔ)言PCL,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)參數(shù)化建模與振動(dòng)噪聲分析的相關(guān)程序;并且利用開(kāi)發(fā)工具M(jìn)ATLAB的GUI,實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模軟件界面的控制．在此基礎(chǔ)上,模擬船體以及設(shè)備基座的各種結(jié)構(gòu)方案,對(duì)比了不同方案時(shí)的船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)與水下聲輻射,實(shí)現(xiàn)了船體結(jié)構(gòu)方案的振動(dòng)噪聲評(píng)估，該方法為船體結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的預(yù)報(bào)及快速評(píng)估提供了一種新手段．

1 基于PCL的船舶結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

船舶結(jié)構(gòu)中可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的變量廣泛,首先是船體結(jié)構(gòu)尺寸,例如船長(zhǎng)、型寬、各層甲板的高度、各艙室的尺寸以及機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備安裝基座的位置及尺寸等;其次是結(jié)構(gòu)的單元屬性,例如船體外板、甲板、上層建筑、艙壁以及各種基座的板厚,縱橫梁與加強(qiáng)筋的型材號(hào)以及機(jī)械設(shè)備的重量等．編寫(xiě)PCL可采用兩種方式：其一是利用軟件自帶大量與有限元建模分析有關(guān)的函數(shù)編寫(xiě)[7]；其二是利用操作Patran時(shí)生成的session記錄文件,其中包括從打開(kāi)到關(guān)閉Patran過(guò)程所進(jìn)行的一切操作．這兩種方式生成的PCL都可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模．

由于船舶振動(dòng)噪聲主要來(lái)源于機(jī)艙的振動(dòng),而機(jī)艙的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)對(duì)振動(dòng)的影響較大,因此,參數(shù)化建模以機(jī)艙結(jié)構(gòu)作為重點(diǎn)．此外,由于基座是連接動(dòng)力設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)的主要部件,也是機(jī)械振動(dòng)傳遞到船體結(jié)構(gòu)的主要途徑,基座結(jié)構(gòu)的參數(shù)化也十分重要．以下以典型基座為例,闡述PCL參數(shù)化建模的方法．

Patran里定義參數(shù)的過(guò)程為:菜單欄Tools>Pre Release>Parametric Modeling．若要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)如圖1所示的具有腹板、肘板、面板的基座,可打開(kāi)創(chuàng)建參數(shù)模塊,將基座腹板高度、面板寬度,肘板下寬度定義為參數(shù)(圖2)．于是,基座的尺寸已經(jīng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化,只要修改此PCL里對(duì)應(yīng)的參數(shù)值即可修改基座尺寸．

圖1船舶設(shè)備基座示意圖
Fig.1Diagramoftheshipbase

圖2 Patran定義參數(shù)示意圖Fig.2 Diagram of parameters’ definition with Patran

船舶結(jié)構(gòu)的參數(shù)化與基座的參數(shù)化方法類(lèi)似,只不過(guò)復(fù)雜的船舶結(jié)構(gòu)中需要參數(shù)化的變量更多．除了全新的船舶設(shè)計(jì)外,通常以母型船為基礎(chǔ)進(jìn)行部分參數(shù)的修改．文中將針對(duì)某大型船舶進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)．

編寫(xiě)PCL或初始建模產(chǎn)生PCL的過(guò)程是參數(shù)化的基礎(chǔ)．PCL涵蓋了從建模到結(jié)果后處理的全部過(guò)程,其中包含建模,網(wǎng)格劃分,材料屬性,單元屬性,載荷和場(chǎng)的定義,分析,結(jié)果處理．這幾部分緊密相連,互相制約,處理不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致建模和分析的失敗．如何處理好這幾部分的制約關(guān)系成為編寫(xiě)參數(shù)化建模的PCL的關(guān)鍵．尤其是模型結(jié)構(gòu)尺寸的改變要兼顧網(wǎng)格的劃分,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)改變后的網(wǎng)格劃分不能破壞與周?chē)渌?jié)點(diǎn)的連接．尺寸改變產(chǎn)生的新的單元屬性可通過(guò)選擇面來(lái)定義和建立group來(lái)解決．

2 基于參數(shù)化建模的振動(dòng)噪聲評(píng)估軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模的目的是為了研究各參數(shù)對(duì)船舶振動(dòng)噪聲的影響,在設(shè)計(jì)階段選擇最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)．這樣就會(huì)涉及多個(gè)方案,對(duì)PCL的多次修改．整個(gè)評(píng)估過(guò)程會(huì)反復(fù)調(diào)用Patran，NASTRAN以及其它振動(dòng)噪聲分析軟件,并且有大量的數(shù)據(jù)處理任務(wù)．因此,需要對(duì)參數(shù)化建模、計(jì)算分析、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果顯示等進(jìn)行管理．借助于MATLAB的GUI,通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)話界面,以控制整個(gè)流程(圖3)．

圖3 參數(shù)化建模及振動(dòng)噪聲評(píng)估流程Fig.3 Flow chart of parametric modeling and assessment of vibration and noise

軟件界面如圖4.

圖4 參數(shù)化建模及振動(dòng)噪聲評(píng)估軟件界面Fig.4 Diagram of parametric modeling and assessment of vibration and noise

3 參數(shù)化建模及振動(dòng)噪聲評(píng)估實(shí)例

3.1 典型船舶的參數(shù)化模型

船舶參數(shù)化建模的目的是為了實(shí)現(xiàn)船舶的低噪聲．以某型船舶為對(duì)象(圖5),嘗試實(shí)現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)的參數(shù)化．在該模型中,船體外板、上層建筑,艙壁,甲板以及基座結(jié)構(gòu)均采用SHELL單元,主機(jī)及輔機(jī)采用SOLID單元,減振器采用SPRING單元．模型中實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的結(jié)構(gòu)有:機(jī)艙長(zhǎng)度,基座腹板、面板、肘板的尺寸以及厚度,基座位置,船長(zhǎng),型寬,吃水深度,加強(qiáng)筋的尺寸,設(shè)備質(zhì)量,甲板、外板、艙壁的厚度,隔振系統(tǒng)參數(shù)等．為易于說(shuō)明,以下僅對(duì)船舶艙室長(zhǎng)度,設(shè)備安裝基座的腹板厚度這兩項(xiàng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化,以便研究船舶結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)船舶振動(dòng)與水下噪聲的影響．

圖5 某船舶參數(shù)化模型Fig.5 Parametric model of the ship

3.2 船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)評(píng)估

利用已建立的船舶參數(shù)化模型以及主機(jī)的實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù),運(yùn)行振動(dòng)噪聲預(yù)報(bào)軟件,得到船舶各部位的振動(dòng)譜,包括主機(jī)基座面板、船體外板典型測(cè)點(diǎn)、主機(jī)艙、船首、船尾等,見(jiàn)圖6,7．

圖6 船體典型測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)Fig.6 Vibration responses of typical points

圖6中,Lv為振動(dòng)速度級(jí)，船體外板的振動(dòng)譜形態(tài)既與基座相似,又有很大不同,因?yàn)閮烧呔鶎儆诖暗囊徊糠?具有共同的振動(dòng)特性,但是各階模態(tài)的參與程度不同．船體測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)比基座小,其反映了振動(dòng)傳遞過(guò)程中的能量損耗．

圖7表明,船體的最大振動(dòng)響應(yīng)出現(xiàn)在主機(jī)艙附近．低頻區(qū)船尾的振動(dòng)響應(yīng)較船首和船身較大,個(gè)別頻率點(diǎn)甚至超過(guò)主機(jī)艙的振動(dòng),這與船尾的局部振動(dòng)模態(tài)有關(guān)．在中心頻率f為16,40,160 Hz的頻帶內(nèi),4個(gè)部位的振動(dòng)都出現(xiàn)極大值．

圖7 機(jī)艙、船首、船尾、船身振動(dòng)響應(yīng)Fig.7 Comparison of vibration responses of cabin, stem, stern and ship body

3.3 機(jī)艙尺寸對(duì)振動(dòng)噪聲影響的評(píng)估

運(yùn)行參數(shù)化建模功能模塊,將船舶艙室長(zhǎng)度從12 m改變?yōu)?6 m;運(yùn)行噪聲預(yù)報(bào)模塊,得到船舶水下噪聲聲壓級(jí)．圖8，9分別給出了船體外板的振動(dòng)響應(yīng)和水下聲輻射．

圖8 機(jī)艙長(zhǎng)度改變前后的船體外板振動(dòng)對(duì)比Fig.8 Comparison of hull vibrations before and after the cabin length is changed

由圖8可見(jiàn),艙段長(zhǎng)度變大使得船體外板的振動(dòng)速度變大．其原因在于艙室段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱．振動(dòng)增強(qiáng)又導(dǎo)致水下噪聲聲壓級(jí)LP增大(圖9)．

圖9 機(jī)艙長(zhǎng)度改變前后的水下噪聲對(duì)比Fig.9 Comparison of underwater noise before and after the cabin length is changed

3.4 基座結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)噪聲影響的評(píng)估

運(yùn)行參數(shù)化建模功能模塊,將主機(jī)基座腹板厚度從10 mm增大到15 mm;運(yùn)行噪聲預(yù)報(bào)模塊,得到船舶水下噪聲聲壓級(jí)．圖10給出了噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果．由圖可見(jiàn),基座腹板增厚,水下噪聲增強(qiáng)．其原因在于基座剛度增加使得振動(dòng)傳遞特性增強(qiáng)．在具體進(jìn)行結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),若減弱基座的結(jié)構(gòu),在增大基座振動(dòng)的同時(shí),又減弱了基座對(duì)動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)的傳遞．其間的關(guān)系呈現(xiàn)復(fù)雜性,需要仔細(xì)斟酌減弱基座的正面與負(fù)面影響．

圖10 基座結(jié)構(gòu)參數(shù)改變前后的水下噪聲對(duì)比Fig.10 Comparison of underwater noise before and after the base structure is changed

4 結(jié)論

1) 基于PCL的結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模結(jié)合基于MATLAB的船舶振動(dòng)噪聲評(píng)估為船體結(jié)構(gòu)的聲學(xué)優(yōu)化提供了新的手段,使得在設(shè)計(jì)階段對(duì)未來(lái)船舶的聲學(xué)性能做出較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)成為可能．

2) 通過(guò)機(jī)艙以及設(shè)備基座結(jié)構(gòu)的參數(shù)化,研究了機(jī)艙及基座結(jié)構(gòu)對(duì)船體振動(dòng)以及水下聲輻射的影響．其間的變量包括機(jī)艙的尺寸、艙壁厚度、艙壁加強(qiáng)筋板厚度、基座的尺寸、基座面板厚度、腹板厚度、肘板間距及厚度等．從程序給出的大量數(shù)據(jù)及曲線,可以對(duì)船體結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計(jì)方案及其聲學(xué)特性做出評(píng)估．

3) 船體結(jié)構(gòu)包含眾多構(gòu)件,參數(shù)化模型中各構(gòu)件的協(xié)調(diào)成為編寫(xiě)PCL的關(guān)鍵．對(duì)于振動(dòng)噪聲影響很小的某些細(xì)節(jié)可以適當(dāng)簡(jiǎn)化,以便減少計(jì)算工作量．這需要對(duì)船舶的振動(dòng)噪聲特性有相當(dāng)?shù)睦斫猓捎诖w結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,參數(shù)化通常以母型船為基礎(chǔ)進(jìn)行部分參數(shù)的修改．

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