在上一期的文章《中高頻噪聲仿真的新科技—自主研發能量有限元軟件ProNas》中，我們介紹了ProNas能量有限元法產生的背景、原理、優勢，以及基于ProNas能量有限元理論，安世亞太自主研發的ProNas軟件的特點和優勢。

 

本文，結合具體應用，介紹ProNa能量有限元法在船舶中高頻噪聲預測中的應用。以ProNas能量有限元理論為基礎，建立了船舶的ProNas能量有限元計算模型，采用安世亞太大型商用軟件ProNas對復雜激勵在船舶各艙室產生的中高頻結構噪聲及空氣噪聲進行仿真計算，得到船舶各艙室聲壓級，并利用ProNas軟件后處理功能確定激勵源及傳遞路徑處的能量分布云圖，對不滿足噪聲目標的艙室進行了聲學優化，最終解決了大型實際船舶工程的中高頻噪聲預測與控制問題。

 

復雜結構的中高頻噪聲的控制一直以來都是各工業領域研究的重點與難點問題，尤其對于大型船舶其內環境相比其它工業產品更加獨特：結構形式縱橫交錯，艙室眾多，噪聲誘因復雜，聲源品種繁多密集，噪聲強度較大，噪聲頻域帶寬且持續穩定，結構噪聲與空氣噪聲相互轉化。以上這些特點，就使得船舶噪聲控制起來更加困難。

2014年7月國際海事組織（IMO）簽訂生效的新的《船上噪聲等級規則》要求居住區部分艙室聲壓級在舊規范的基礎上降低5dB(A),這就要求船舶工程設計人員需要采取更加有效的控制手段來降低船舶噪聲。

傳統的以有限元（FEA）、邊界元（BEA）、統計能量分析（SEA）等算法為基礎而發展起來的商用軟件工具，在計算效益上存在不足和瓶頸，很難滿足來自噪聲振動工程界及學術科研的越來越復雜、精細及多學科綜合解析優化的工程設計和技術發展需求。

能量有限元-統計能量混合模塊（ProNAS/EFEA-SEA）涉及的基本變量是平均的能量或能量密度，既可以快速建模預測及優化振噪特性，也可以直接使用現有普通有限元網格進行中高頻振動的分析和模擬，從而大大節省工程設計人員的建模時間，使工程人員在設計初期能夠有效地進行工程預測和優化。

 

一、船舶模型建立

 

1、船舶前處理模型

 

本文以某客箱船為例。利用Patran前處理軟件對某客箱船進行有限元建模，如圖1所示，該模型共有單元114358個，節點94357個。該客箱船全長約200米，船寬約25米，采用的是雙機雙漿配置，主機為兩臺低速機。該船的前部為載貨區域，后部為居住區域和機械處所。因對居住區域及機械處所噪聲控制要求較高，同時為了節省計算時間，本案例截取局部模型，即僅對居住區域和機械處所進行研究。

圖1.某客箱船有限元模型

2、ProNas軟件模型處理

 

通過ProNas聲學仿真軟件分別對船舶的結構噪聲與空氣噪聲進行了仿真計算。將Nastran格式模型導入ProNas軟件中，如圖2所示。通過ProNas軟件聲腔自動識別功能自動劃分聲腔子系統，如圖3所示。軟件自動耦合聲腔子系統和其臨近貼合的結構單元，這樣能量即可在結構單元與聲腔子系統之間進行交換。然后對各艙室結構單元進行聲學材料設置，如甲板敷料、絕緣布置材料，設置門窗材料等，如圖4所示。

圖2.某客箱船ProNas有限元模型

圖3.某客箱船各艙室聲腔子系統

圖4.某客箱船聲學材料施加

 

二、船舶模型激勵輸入

 

船舶噪聲主要包括主機噪聲、螺旋槳噪聲及水動力噪聲。其中主機噪聲是船舶噪聲中最強的噪聲源，主機噪聲主要分為空氣輻射噪聲、排氣噪聲和結構噪聲，空氣輻射噪聲有燃燒噪聲和機械往復運動碰撞噪聲，成因復雜，一般實測得到。螺旋槳噪聲也是船舶的主要噪聲源，螺旋槳直接產生的噪聲有空泡噪聲，空泡噪聲會引起船體結構噪聲。水動力噪聲主要是由于高速海流的不規則起伏作用于船體濕表面，激起船體的局部振動并向周圍介質(空氣與水)輻射的噪聲。

該客箱船模型根據實際情況所受激勵載荷主要有24個，分別為主機、螺旋槳、發電機、空壓機、空調、風機等。其中主機、發電機、螺旋槳與船體作用，船體會振動產生結構噪聲。其它主要激勵源通過空氣傳遞到船舶艙室內，產生空氣噪聲。結構噪聲源通過ProNas軟件分別在各設備的有限單元表面以速度級及加速度級方式加載，如圖5所示?？諝庠肼曉赐ㄟ^ProNas軟件分別在各激勵源所在聲腔子系統內以聲功率級方式加載，如圖6所示。主機速度級激勵如圖7所示，螺旋槳加速度級激勵如圖8所示。

 

 

三、船舶結構噪聲及空氣噪聲分析結果與優化

 

1、船舶噪聲分析結果

在倍頻程中心頻率63-8000Hz下分別將該客箱船結構噪聲模型與空氣噪聲模型提交ProNas軟件求解器，經過ProNas軟件計算，可得到各艙室聲壓級水平，圖9、圖10分別為該客箱船在中心頻率為500Hz時結構噪聲仿真得到的結構速度云圖與艙室聲壓云圖，圖11與圖12分別為該客箱船在中心頻率為500Hz時的空氣噪聲仿真得到的結構速度云圖和艙室聲壓云圖。

該客箱船艙室聲壓分析結果見表1，部分艙室聲壓級不滿足目標值。

 

2、優化方案

對于結構噪聲超標的艙室，常見的優化方法為敷設阻尼。阻尼材料是將結構振動板的振動能量快速轉化為熱能，從而減弱金屬板的彎曲振動，阻尼材料通過這種方式有效的控制金屬板的結構輻射噪聲。通過云圖分析可知，本案例結構噪聲超標，多為主機與螺旋槳結構噪聲引起。由于該客箱船采用低速機，主機與船體鋼板直接螺接，船體底部振動區域較大，且底部鋼板厚度約為25mm-30mm，在實際應用中，阻尼層厚度一般為金屬板厚度2-4倍，因此如果采用常規的在激勵源處阻尼敷設方法，阻尼用量相對較大，成本較高。又由于船舶結構復雜，結構噪聲和空氣噪聲相互轉化，因此常規阻尼敷設方法對超標艙室噪聲控制效果一般。針對以上特點，本案例通過ProNas軟件后處理界面可直觀精確顯示傳遞路徑處能量分布，即在不達標艙室處直接敷設阻尼，采用這種敷設方法，阻尼用量及成本在可控范圍內，且噪聲控制效果顯著。圖13為常規敷設阻尼方法，圖14為本案例阻尼敷設方法。

 

 

對于空氣噪聲不達標艙室，結合ProNas軟件后處理結果云圖，本案例采用以下優化方案：

1)        部分娛樂室及放映室等地面浮動地板均改為50mm巖棉+鋼板+阻尼+鋼板型，再在上側加10mm流平甲板敷料。

2)        部分甲板廚房抽風機室的內部，艉、中、艏面增加4mm鋼板做成雙墻艙壁，形成密封夾層空間，兩層鋼壁都設阻尼涂料。

3)        甲板房間合計26間處所的天花板需穿孔（穿孔面向室內），孔徑按1.8mm。壁板不穿孔。

4)        在部分甲板機艙棚兩側直接面向公共處所和房間的艙壁，在外側增加4mm壓筋板做成的艙壁，形成密封的夾層空間，夾層內設50mm隔音棉。

5)        部分甲板均設9mm厚阻尼涂料處理。

 

3、實船仿真與測試結果對比

經過以上方案優化并多輪仿真計算，優化以后各艙室噪聲控制效果較好，將以上優化方案應用到實船設計中，并對該客箱船實船艙室進行了噪聲測試，如表2所示，大多艙室噪聲數值滿足設計要求。

  

四、結論

 

本文基于能量有限元方法的ProNas軟件建立了某客箱船聲學模型，進行了整船的結構噪聲與空氣噪聲仿真計算，對結構噪聲及空氣噪聲不達標艙室進行仿真優化，并與實船測試結果進行對比，得出了以下結論：  

1)      ProNas能量有限元方法是一種用于預測和解決船舶及其它工業產品中高頻噪聲的可行性及有效性方法，具有很大的理論意義與現實價值。

2)      采用ProNas能量有限元方法，可避免常規中高頻方法子系統建模操作的復雜性與專業性，提高仿真計算精度。

3)      ProNas能量有限元方法不需要判斷子系統模態密度，不需要確定系統之間的耦合因子，既保證模型的完整性，又提高仿真的時效性。

4)      ProNas軟件為解決中高頻噪聲提供了新的方法，為改進船舶設計參數提供了科學依據，提高了船舶的噪聲設計質量，縮短研發周期，節約開發成本。

5)      ProNas軟件仿真得到的船舶結果與實測結果的最大誤差值的絕對值在5dB(A)內，滿足模型的預測精度。

作者簡介

朱瑞，機械工程碩士，從事NVH仿真分析工作三年，具有大量NVH仿真工程經驗，擅長汽車、船舶等領域低頻結構模態剛度仿真及中高頻噪聲仿真?，F為安世中德咨詢（北京）有限公司咨詢工程師，主要從事中高頻噪聲仿真咨詢工作。