船體振動的案例
【iSolver案例分享71】非對稱船體梁振動分析
1引言
在現代船舶設計與運行中，船體的振動問題一直是確保航行安全與乘員舒適的重要課題。船舶在行駛過程中，除了受風浪等外部自然載荷的影響外，船上動力系統、機械設備以及貨物的振動也會對船體結構產生復雜的動態效應。過度振動不僅可能導致船體產生顯著的變形、較高的振動速度和加速度，還會引發噪聲問題，對船上人員的健康構成潛在威脅，嚴重時甚至會引發結構疲勞、裂紋擴展以及安全事故。
近年來，隨著船舶結構形式和工況要求的不斷提高，非對稱船體梁的振動問題引起了國內外研究者的廣泛關注。尤其在波浪載荷等動態激勵作用下，大型非對稱船舶往往表現出較強的振動響應。因此，對非對稱船體梁振動響應的分析對實際工程設計、壽命評估以及安全性驗證具有重要參考價值。
本文主要參考了哈爾濱工程大學碩士研究生郝晨偉的學位論文中有關非對稱船體振動分析的相關內容。對對稱和非對稱船體梁兩種模型進行模態計算和比較。并將國產自主有限元軟件 iSolver 的計算結果與國外商業軟件 Abaqus 的結果進行了詳細對比，從而驗證了 iSolver 在復雜結構振動分析中的高精度、高可靠性以及良好的工程適用性。以下內容詳細介紹了模型建立、計算過程、結果分析以及總結。
2模型建立
為全面評估非對稱因素對船體梁振動性能的影響，本文分別建立了對稱船體梁模型和非對稱船體梁模型。兩者在基本結構參數上均采用相同的橫截面尺寸和基本幾何形狀，但在局部結構布置上存在明顯差異，以體現非對稱設計對動態響應的影響。具體模型參數如下：
· 船體梁基本尺寸：寬 14 m，高 10 m，梁長 100 m。
· 隔板布置：底部隔板距船體梁底部 3 m；上層隔板距頂部甲板 3 m。船板的厚度均為 0.1 m，且模型兩端均為封閉。
展開 船舶四大主要噪聲源概述
四、船體振動的噪聲
船體振動的噪聲是由主輔機及螺旋槳的擾動和各種機械及波浪的沖擊引起的振動而產生。船體周期性的變形使殼板之間產生摩擦聲，及因此而使船體結構發出各種傾軋聲等。
摘自《中國水運（理論版）》2006年第7期《船舶噪聲污染及其控制》，作者：羅孝學、余運茂、許庭春、葉進。
案例分享 | 利用MSC Cradle進行船尾壓力變動的預測
船尾壓力變動的預測
船體尾流的非穩定性導致的非定常螺旋槳氣穴現象是引起船體振動，噪聲以及腐蝕的原因。因此在設計階段的預測就顯得非常重要。本研究中，進行了模型船的氣穴實驗[1]以及利用MSC Cradle對同條件下的仿真[2]，預測了非定常氣穴的發生狀態，并對其船尾壓力變動的精度進行了考察。
氣穴形態的比較
壓力變動分析
壓力變動振幅的仿真與實驗的比較
小結
利用MSC Cradle，高精度地仿真了考慮船體影響的非定常螺旋槳氣穴現象以及預測了由此導致的船尾壓力變動。在設計階段，這樣的高精度預測為船體和螺旋槳形狀優化提供了有效手段。 （此文由MSC Cradle技術部提供）
展開 HBK支持BAE系統公司開發26型全球戰斗艦
聲學與振動專家Hottinger Brüel & Kj?r (HBK)為英國BAE系統公司建造的英國皇家海軍26型全球戰斗艦項目提供船體振動監測設備（HVME）。所有8艘26型護衛艦都將配備全新的自噪聲監測軟件，以確保它們能夠準確管理自身的聲學特征。
26型護衛艦的任務之一是抵御潛在的入侵潛艇，因此必須監測并盡可能降低自身的聲學信號（即艦艇及其艦載設備和系統投射到水中的噪聲和振動）。
HVME由現成的商用設備組成，包含傳感器、數據采集、振動測量和分析功能。該套件根據每艘船舶的布局量身定制，可在噪聲或振動過大時觸發特定位置的警報，以便船員采取行動降低噪聲或振動。
新《HBK聲學與振動產品簡明目錄》
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網址：www.bksv.com/zh
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案例分享 | 利用MSC Cradle進行船尾壓力變動的預測
船尾壓力變動的預測
船體尾流的非穩定性導致的非定常螺旋槳氣穴現象是引起船體振動，噪聲以
及腐蝕的原因。
因此在設計階段的預測就顯得非常重要。
本研究中，進行了
模型船的氣穴實驗[1]以及利用MSC Cradle對同條件下的仿真[2]，預測了非定常氣
穴的發生狀態，并對其船尾壓力變動的精度進行了考察。
氣穴形態的比較
壓力變動分析
壓力變動振幅的仿真與實驗的比較
小結
利用
MSC Cradle，高精度地仿真了考慮船體影響的非定常螺旋槳氣穴現象以及預測了由此導致的船尾壓力變動。在設計階段，這樣的高精度預測為船體和螺旋槳形狀優化提供了有效手段。
展開 使用自噪聲監測系統管理聲學隱身
由于其ASW角色，T26護衛艦必須保護艦隊免受潛在入侵潛艇的影響，因此船舶安靜并且機組人員能夠精確監控產生的噪聲與振動非常重要。聲學特征，即船舶及其船上設備和系統在水中產生的噪聲與振動，是此類船舶的關鍵要求，必須盡可能低，以避免被發現。
基本監控
為保持聲學上的自由行動權，應考慮船舶的所有噪聲源，包括人員、船上設備和空化以及整個船舶的輻射噪聲特征。降低船舶的輻射噪聲特征是其戰術部署的關鍵因素，而自噪聲監測系統對于管理船舶的聲學特征至關重要。
BAE系統公司非常重視聲學隱身，隨著早期幾個項目的成功，再次選擇由Brüel & Kj?r為前三艘26型護衛艦提供商用現貨（COTS）自噪聲監測系統（SNMS），也稱為船體振動監測設備（ HVME）。
26型供應鏈總監Chris Curtis說：“Brüel & Kj?r之前為BAE系統公司提供高質量產品的歷史記錄支持了HVME的合同簽訂。在26型護衛艦上，我們的供應商是該計劃獲得成功不可或缺的一部分，所以一定要建立一種可信賴的合作關系，以便我們可以共同努力。”
完備的傳感器網絡
基于PULSE?可擴展平臺，自噪聲監測系統由COTS設備網組成，包括傳感器、數據采集和振動測量以及分析功能。
通過監測結構傳播的振動并檢查振動聲學信息來管理聲學特征。這有助于船員控制來自機械、水流和螺旋槳空化的噪聲源。
該系統通過永久安裝在船體結構內部的傳感器陣列即時查看船舶的輻射聲，并且船體的連續振動監測有助于船員保持低噪聲特征。
適合（幾乎）任何地方的模塊化解決方案
該系統提供了巨大的優勢：當軍艦上的空間非常寶貴時，該解決方案的幾乎零占地面積是一個重要優勢。
展開 船舶應用 | 如何使用自噪聲監測系統管理聲學隱身？
由于其ASW角色，T26護衛艦必須保護艦隊免受潛在入侵潛艇的威脅，因此船舶安靜并且機組人員能夠精確監控產生的噪聲與振動非常重要。聲學特征，即船舶及其船上設備和系統在水中產生的噪聲與振動，是此類船舶的關鍵要求，必須盡可能低，以避免被發現。
基本監控
為保持聲學上的自由行動權，應考慮船舶的所有噪聲源，包括人員、船上設備和空化以及整個船舶的輻射噪聲特征。降低船舶的輻射噪聲特征是其戰術部署的關鍵因素，而自噪聲監測系統對于管理船舶的聲學特征至關重要。
BAE系統公司非常重視聲學隱身，基于早期幾個項目的成功經驗，BAE再次選擇由Brüel & Kj?r為前三艘26型護衛艦提供商用現貨（COTS）的自噪聲監測系統（SNMS），也稱為船體振動監測設備（ HVME）。
26型供應鏈總監Chris Curtis說：“Brüel & Kj?r之前為BAE系統公司提供高質量產品的歷史記錄支持了HVME的合同的簽訂。在26型護衛艦上，我們的供應商是該計劃獲得成功不可或缺的一部分，所以一定要建立一種可信賴的合作關系，以便我們可以共同努力?！?“聲學隱身對于T26的運行成功至關重要。”
——Andy Kellett，英國MOD的T26需求經理
完備的傳感器網絡
基于PULSE?可擴展平臺，自噪聲監測系統由COTS設備網組成，包括傳感器、數據采集和振動測量以及分析功能。
通過監測結構傳播的振動并檢查振動聲學信息來管理聲學特征。這有助于船員控制來自機械、水流和螺旋槳空化的噪聲源。
該系統通過安裝在船體結構內部的傳感器陣列即時查看船舶的輻射聲，并且船體的連續振動監測有助于船員保持低噪聲特征。
展開 ProNas能量有限元方法在船舶中高頻振動噪聲分析預測的應用
船體振動學 [M]. 大連：大連海運學院出版社，1992.
[12] 邱斌. 高速船全頻段艙室噪聲預報與控制方法的研究 [D]. 武漢理工大學碩士學位論文，2010，武漢.
[13]李峰,徐芹亮，騰瑤，張菁.統計能量法在船舶噪聲與振動控制中的應用[J].噪聲與振動控制, 2011.12(6): 152-155.
完美“聲優” | ProNas在大型船舶中高頻噪聲預測的應用
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6所示。空氣噪聲源通過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7所示。主機速度級激勵如圖8所示，螺旋槳加速度級激勵如圖9所示。
圖6.某客箱船結構噪聲載荷分布圖
圖7.某客箱船空氣噪聲載荷分布圖
圖8.
展開 ProNas能量有限元方法在船舶中高頻振動噪聲分析預測的應用
振動幅度的大小和激振力特性有密切關系，船體結構共振振動主要和干擾力頻率特性有關，可以通過改變結構的剛性質量和阻尼，來使結構的固有頻率移動，而受迫振動主要是物體在周期性外力作用下的響應。
根據主要噪聲振動源的性能參數可以得到如表1所列激振力頻率范圍：
表1.激振力頻率范圍
備注：考慮到頻率儲備和80%負荷為常用工況，以此為基數分別得到擾動頻率的上下限值（Hz）。
本案例某客箱船模型，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。結構噪聲源在ProNas軟件中分別在各設備的有限單元表面以速度級及加速度級的方式加載；空氣噪聲源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7所示。
展開 ProNas能量有限元法在船舶中高頻噪聲預測的應用
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。空氣噪聲源通過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。
展開 
HyperWorks在船舶甲板支撐結構設計中的應用
除了船體結構強度方面，在船體振動、沖擊響應等方向，還可以將該方法進行進一步推廣應用，這也是本文作者下一步的研究內容。（轉）
船舶噪聲仿真分析
02
水下輻射噪聲
船舶在海上航行時引起的水下輻射噪聲，主要由機械設備振動產生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動壓力作用在艉部結構產生的水下噪聲和水動力噪聲組成。
03
自噪聲
自噪聲是指聲納接收換能器所接收到的其載體產生的噪聲和聲納設備本身產生噪聲的總和。
目前噪聲仿真分析技術已擁有聲振耦合分析功能，適用于仿真計算船體設備的振動引起的聲輻射、水下艦艇的聲輻射、阻尼與隔振等問題，并可以通過合理地優化船舶總體結構與各部件，達到減振降噪的目的。圖中是水下某艦艇聲輻射仿真分析應用示例。
聲學仿真：船舶噪聲仿真分析
02
水下輻射噪聲
船舶在海上航行時引起的水下輻射噪聲，主要由機械設備振動產生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動壓力作用在艉部結構產生的水下噪聲和水動力噪聲組成。
03
自噪聲
自噪聲是指聲納接收換能器所接收到的其載體產生的噪聲和聲納設備本身產生噪聲的總和。
目前噪聲仿真分析技術已擁有聲振耦合分析功能，適用于仿真計算船體設備的振動引起的聲輻射、水下艦艇的聲輻射、阻尼與隔振等問題，并可以通過合理地優化船舶總體結構與各部件，達到減振降噪的目的。圖中是水下某艦艇聲輻射仿真分析應用示例。
技術鄰學院丨Hyperworks學員必看的分析應用合集
除了船體結構強度方面，在船體振動、沖擊響應等方向，還可以將該方法進行進一步推廣應用，這也是本文作者下一步的研究內容。
【三】
HyperWorks在汽車行李箱優化中的應用
摘要：本文針對某款車型的行李箱在強度耐久試驗中存在因剛性不足而導致面板變形，行李箱蓋難以扣鎖之問題，利用HyperWorks建立行李箱的有限元模型，通過OptiStruct求解器對結構強度進行分析，并提出結構整改建議，對比參考樣車后采用最佳優化方案，最終實車通過強度耐久試驗，滿足設計要求。
概述
近年來，隨著CAE仿真技術的逐漸成熟，其高效率、低成本的優勢被國內外汽車廠商青睞，成為汽車設計的不可或缺的主要手段。HyperWorks軟件以其高性能、開放式有限單元前后處理器、強大的網格劃分能力及提供幾乎所有主流商業CAD系統和CAE求解器接口等諸多優點成為CAE技術廣泛應用的工具。
本文針對某轎車行李箱在強度耐久試驗中出現因行李箱剛性不足造成面板變形，導致行李箱蓋鎖扣發生偏移，難以關閉行李箱蓋的問題展開結構強度分析工作。利用HyperWorks建立行李箱的有限元模型，通過OptiStruct求解器對結構強度進行分析，并提出結構整改建議，對比參考樣車后采用最佳優化方案，最終實車通過強度耐久試驗，滿足設計要求。
1 建立有限元模型
1.1網格劃分
首先利用HyperMesh前處理功能建立行李箱總成各結構件的有限元模型，選用殼單元，基本網格單元尺寸為5mm。結構連接采用RBE2、RBE3、粘膠、焊接單元，并充分考慮結構的具體特征如圓角、翻邊、工藝孔等，對結構的簡化處理不影響結構的強度分析結果。完成后的行李箱有限元模型網格數量共有73475個，其中三角形殼單元3476個，占4.7%。單元質量符合企業給定標準。行李箱有限元模型見圖1。
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