基于结构声强法的某游览船振动能量流向分析

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　　摘    要：为研究结构声强技术在船舶振动分析中的应用，以一艘航行于珠江水系的双体游览船作为研究对象。首先基于结构声强理论，通过编写结构声强计算模块对该游览船进行结构声强分析及其可视化;然后分析振动能量在船体结构中的主要流动路径和耗散方式;最后与实船舱室噪声测试结果作比较，为该类船舶减振降噪问题的研究提供参考。
　　关键词：结构声强;振动;流向;游览船
　　中图分类号：U674.11                               文献标识码：A
　　Abstract： This paper introduces the application of the structural intensity technology in vibration analysis of a traveling cruiser sailing in the Pearl River system. Firstly， based on the structural intensity theory， the structural intensity calculation and visualization of the cruiser are carried out by the calculation module. Then the main flow paths and the dissipation mechanism of vibration energy in hull structure are analyzed. Finally， the calculation results are compared with those of real ship cabin noise test， which can provide reference for the research on vibration and noise reduction of this kind of ship.
　　Key words： Structural intensity; Vibration; Flow direction; Traveling cruiser
　　1     前言
　　考虑到游览船的耐久性以及旅客对舒适游览环境的要求，关于船舶振动控制的标准越来越严格。目前研究船舶振动问题的主要手段包括：船体梁固有频率分析和总振动响应计算;上层建筑固有频率分析和船体-尾部-上层建筑耦合振动计算;局部结构振动分析等。然而在实际的工程应用中，仍难以据此有效和合理地修改结构设计以减少船舶振动带来的问题。
　　结构声强法同时考虑结构的振动响应和激励引起的结构内力，可给出激励源的位置信息，揭示振动能量在复杂结构中的流向特性和耗散方式。目前，运用结构声强法研究薄板和加筋板的振动特性已有不少：李凯[2]利用功率流理论研究加筋板振动能量的传输、分布和耗散特性;梁日兴[3]基于结构声强法研究了平板、加筋板及箱体结构等的振动特性;Xu X，D[4]研究了不同加强筋布置对复合材料层板结构声强分布的影响;何鹏[5]研究了不同激励下机舱双层底的振动传递特性。从以上文献来看，学者们主要以简单的板架等结构作为研究对象，得出不少富有参考价值的研究成果，但关于结构声强法在全船结构振动分析中的应用却较少。本文提出一种适用于船体结构声强分析及可视化的数值模拟方法，可辨识振动能量从激发源到上部结构的主要流动路径和耗散方式，为船舶振动控制的研究提供新思路。
　　2    船体结构声强计算公式
　　对于船体结构的有限元分析，通常采用shell单元离散船壳外板、舱壁板、甲板板、上层建筑围壁和船体骨架的高腹板等;采用beam单元离散加强筋、扶强材、支柱和船体骨架的面板等。若要采用有限元的方法进行船体结构的结构声强分析，首先要建立起beam单元和shell单元的内力、弯矩、位移和转角等参数与一维梁和二维板壳的结构声强之间的函数关系。
　　3   基于PATRAN结果后处理的结构声强可视化
　　本文的研究思路是：首先在MSC/Patran中建立全船三维有限元模型，然后调用求解器MSC/Natran进行全船结构的频率响应分析，并输出所有beam单元和shell单元的内力、弯矩、位移、转角等数据（存储于filename.f06中）;其次，采用Matlab编写结构声强计算模块，读取和处理filename.f06中的数据，并输出为MSC/Patran后处理模块中可读的结构声强矢量结果文件（filename.els）;最后，在MSC/Patran的后处理模块中查看全船的结构声强矢量图、幅值图等，从而实现结构声强的可视化。基于Patran结果后处理的结构声强可视化流程圖，如图1所示。
　　在复杂的三维全船结构有限元模型中，诸如弯曲的船壳外板上的shell单元，不同单元之间的法向量是各不相同的，意味着每个单元自身的局部坐标系是完全不同的。而有限元求解器MSC/Natran输出的结果文件中，关于位移、转角、速度、角速度的信息是基于绝对坐标系的，且是以节点的形式输出的;关于轴力、剪力、弯矩、扭矩的信息是基于每个单元自身的局部坐标系的，且是以单元的形式输出的。因此，利用上述（1）、（2a）、（2b）公式计算单元的结构声强矢量之前，首先要将单元各节点的变形值均分到单元上，即转化为单元的变形值;其次，还需要将基于绝对坐标系下的单元变形值，转换为每个单元自身局部坐标系下的单元变形值。
　　4    某游览船的结构声强分析 　　本文研究的航行于珠江水系的双体游览船，主要参数如下：
　　全船三维有限元模型的主要构件包括：船壳外板、甲板、横纵舱壁、内底板和强骨材高腹板等，采用shell单元模拟;所有板材上的扶强材、加强筋、支柱和强骨材面板等，采用偏心beam单元模拟。一般来说，最大计算频率对应的波长内需要建立至少6个单元才能保证计算精度，因此本船网格尺寸为0.25 m;全船有限元模型一共有98 014个单元，其中30 799个梁单元、65 522个板单元、1 693个质量单元。全船三维有限元模型，见图2所示。
　　计算全船结构的频率响应时，不仅要考虑全船的钢料重量，还要考虑机电设备重量、舾装设备重量、游船内饰装修重量、各种装载工况重量以及船体附加水质量的影响。本文以游览船满载出港工况作为算例，其中：不足的空船重量，通过调整材料的属性以模拟真实的空船重量及重心位置;旅客、船员及服务员、粮食、备品及其他杂物等，依据总布置图在对应的位置通过施加质量点来进行模拟;燃油、淡水、生活污水、厨房污水、污油水等液体重量，通过MPC单元连接质量点与液舱内的单元节点来进行模拟;船体的附加水质量，在MSC/Natran内通过定义有限元模型的湿表面单元和吃水高度自动实现耦合振动计算。
　　本文利用卡片ELIST定义构成“湿面”的二维shell单元，其中：流固耦合作用面，由1组TRAI3或QUAD4单元组成，作为结构接触流体的边界面;利用卡片MFLUID定义自由液面的法向方向、液面高度、流体的密度等相关参数;此外，所有计算不需要对模型施加任何位移边界约束条件，以模拟船体是自由浮于水面的。
　　作用在主机曲轴上的不平衡惯性力和力矩、气缸的周期性燃烧压力，是引起主船体结构乃至上层建筑客舱区域产生上下振动和水平振动的主要原因。为简单起见，本文选取主机一阶激振力作为激励源，作用力施加在主机基座地脚螺栓位置，其频率为30 Hz。
　　图3～图6分别是机舱和各层上建甲板室结构声强的矢量图。从图3可知：振动能量从作用在主机基座上的激振源出发，沿着主机基座纵桁分别往船首和船尾传递出去;由于机舱后舱壁的位置与主机基座接近，往船尾方向的振动能量流经机舱后舱壁传递到上层甲板室结构;同时，还有部分振动能量沿着由实肋板、强肋骨和强横梁所组成的强框架传递到甲板纵桁上，继而往船首方向传递;从图4、图5可知：从机舱后舱壁传递上来的振动能量继续沿着一层甲板室外围壁和内围壁往上一层甲板室传递;从图6可知：振动能量沿着二层甲板室外围壁两个大开口之间的立柱结构传递到顶甲板。根据矢量云图，进一步总结振动能量在本船结构中的传递特点：如果将振动能量比作是源源不断的水流，则由实肋板、强肋骨、强横梁和纵桁所组成的强骨架结构则是引导振动能量流向的水管。
　　5     實船舱室噪声测试结果
　　原船在试航压载状态、空调、通风设备处于正常工作状态、各种辅机设备正常运转及舵桨全速运行下，除主甲板功能区舱室测点噪声略有超出外，其余测点均符合GB5980-2009《内河船舶噪声级规定》的标准。表1为各舱室实测噪声值与结构声强计算值比较，验证了结构声强分析方法的正确性。
　　为满足上述标准的要求，本船在机舱段和主甲板功能区舱室围壁喷涂船用隔声阻尼涂料;在PATRAN材料属性中，通过定义材料的粘性阻尼比以模拟阻尼涂料的阻尼性能。本文实取隔声阻尼涂料的损耗因子为0.2，则其粘性阻尼比为0.1。由表1可知，在关键位置喷涂隔声阻尼涂料后，测点噪声值和计算值均有不同程度的降低，最大降幅达5 dB，所有数值均符合标准要求。
　　6    总结
　　本文以一艘航行于珠江水系的双体游览船为研究对象，基于结构声强理论编写结构声强计算模块，实现了全船三维结构声强分析及其可视化，清晰地展示了振动能量在船体结构中的传递路径和耗散方式：振动能量从激振源出发，主要通过与主机座纵桁相接的机舱强框架和机舱后舱壁传递到主船体和上层甲板室各处：通过将仿真结果与实船舱室噪声测试数据作比较，验证了结构声强分析方法的正确性，为该类船舶减振降噪问题的研究提供重要手段。
　　参考文献
　　[1]中国船级社，船上振动控制指南[M].2012.
　　[2]李凯.基于声强可视化的船舶结构声振能量特性研究[D].大连理工大学，2011.
　　[3]梁日兴.基于有限元的板结构振动功率流分析[D].华南理工大学，2016.
　　[4]Xu X.D.， Lee H.P.， Lu C. The structural intensities of composite plates with a hole. Composite Structures[J]. Composite Structures， 2004， 65： 493-498.
　　[5]何鹏，向阳，郭宁，张冠军，姜超君.不同激励下双层底振动传递特性研究[J].噪声与振动控制，2019，39（01）： 60-66.
　　[6]Gavric L.， and Pavic G. A finite element method for computation of structural  intensity by the normal mode approach [J]. Journal of Sound and Vibration，     1993， 164（1）： 29-43.1.
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