基于PCL的船舶结构参数化建模及振动噪声评估

王国治, 朱金龙

(江苏科技大学 能源与动力工程学院, 江苏 镇江 212003)

船舶结构振动与噪声控制对于舰船及民船,都是一项重要的课题．若能在设计阶段就能对未来船舶的声学性能作出较为准确的预报,这对正在进行的船体结构设计有着重要的指导意义．由于船体结构的复杂性,新型船舶设计的周期较长,船舶振动噪声的问题往往不能及时发现．设计部门迫切需要在方案设计阶段就能了解未来船舶的声学特性．

文献[1-6]对船舶结构的振动与噪声进行了广泛的研究．但其研究对象通常是某艘确定的船舶,研究内容通常是分析其振动噪声特性,很少涉及船体结构参数的修改．至于利用参数化建模技术,在方案设计阶段对船舶的振动噪声进行比较与评估,国内尚未见相关报道．文中针对某型船舶,以有限元分析软件MSC.PATRAN为平台,利用其命令语言PCL,设计开发参数化建模与振动噪声分析的相关程序;并且利用开发工具MATLAB的GUI,实现参数化建模软件界面的控制．在此基础上,模拟船体以及设备基座的各种结构方案,对比了不同方案时的船体结构振动与水下声辐射,实现了船体结构方案的振动噪声评估，该方法为船体结构声学特性的预报及快速评估提供了一种新手段．

1 基于PCL的船舶结构参数化建模

船舶结构中可实现参数化的变量广泛,首先是船体结构尺寸,例如船长、型宽、各层甲板的高度、各舱室的尺寸以及机舱内的设备安装基座的位置及尺寸等;其次是结构的单元属性,例如船体外板、甲板、上层建筑、舱壁以及各种基座的板厚,纵横梁与加强筋的型材号以及机械设备的重量等．编写PCL可采用两种方式：其一是利用软件自带大量与有限元建模分析有关的函数编写[7]；其二是利用操作Patran时生成的session记录文件,其中包括从打开到关闭Patran过程所进行的一切操作．这两种方式生成的PCL都可实现参数化建模．

由于船舶振动噪声主要来源于机舱的振动,而机舱的结构形式及参数对振动的影响较大,因此,参数化建模以机舱结构作为重点．此外,由于基座是连接动力设备与船体结构的主要部件,也是机械振动传递到船体结构的主要途径,基座结构的参数化也十分重要．以下以典型基座为例,阐述PCL参数化建模的方法．

Patran里定义参数的过程为:菜单栏Tools>Pre Release>Parametric Modeling．若要创建一个如图1所示的具有腹板、肘板、面板的基座,可打开创建参数模块,将基座腹板高度、面板宽度,肘板下宽度定义为参数(图2)．于是,基座的尺寸已经实现参数化,只要修改此PCL里对应的参数值即可修改基座尺寸．

图1船舶设备基座示意图
Fig.1Diagramoftheshipbase

图2 Patran定义参数示意图Fig.2 Diagram of parameters’ definition with Patran

船舶结构的参数化与基座的参数化方法类似,只不过复杂的船舶结构中需要参数化的变量更多．除了全新的船舶设计外,通常以母型船为基础进行部分参数的修改．文中将针对某大型船舶进行结构的改进设计．

编写PCL或初始建模产生PCL的过程是参数化的基础．PCL涵盖了从建模到结果后处理的全部过程,其中包含建模,网格划分,材料属性,单元属性,载荷和场的定义,分析,结果处理．这几部分紧密相连,互相制约,处理不当就会导致建模和分析的失败．如何处理好这几部分的制约关系成为编写参数化建模的PCL的关键．尤其是模型结构尺寸的改变要兼顾网格的划分,因为结构改变后的网格划分不能破坏与周围其他节点的连接．尺寸改变产生的新的单元属性可通过选择面来定义和建立group来解决．

2 基于参数化建模的振动噪声评估软件设计

实现参数化建模的目的是为了研究各参数对船舶振动噪声的影响,在设计阶段选择最佳的结构参数．这样就会涉及多个方案,对PCL的多次修改．整个评估过程会反复调用Patran，NASTRAN以及其它振动噪声分析软件,并且有大量的数据处理任务．因此,需要对参数化建模、计算分析、数据处理以及结果显示等进行管理．借助于MATLAB的GUI,通过编程实现对话界面,以控制整个流程(图3)．

图3 参数化建模及振动噪声评估流程Fig.3 Flow chart of parametric modeling and assessment of vibration and noise

软件界面如图4.

图4 参数化建模及振动噪声评估软件界面Fig.4 Diagram of parametric modeling and assessment of vibration and noise

3 参数化建模及振动噪声评估实例

3.1 典型船舶的参数化模型

船舶参数化建模的目的是为了实现船舶的低噪声．以某型船舶为对象(图5),尝试实现船舶结构的参数化．在该模型中,船体外板、上层建筑,舱壁,甲板以及基座结构均采用SHELL单元,主机及辅机采用SOLID单元,减振器采用SPRING单元．模型中实现参数化的结构有:机舱长度,基座腹板、面板、肘板的尺寸以及厚度,基座位置,船长,型宽,吃水深度,加强筋的尺寸,设备质量,甲板、外板、舱壁的厚度,隔振系统参数等．为易于说明,以下仅对船舶舱室长度,设备安装基座的腹板厚度这两项参数实现参数化,以便研究船舶结构参数对船舶振动与水下噪声的影响．

图5 某船舶参数化模型Fig.5 Parametric model of the ship

3.2 船舶结构振动响应评估

利用已建立的船舶参数化模型以及主机的实测振动数据,运行振动噪声预报软件,得到船舶各部位的振动谱,包括主机基座面板、船体外板典型测点、主机舱、船首、船尾等,见图6,7．

图6 船体典型测点振动响应Fig.6 Vibration responses of typical points

图6中,Lv为振动速度级，船体外板的振动谱形态既与基座相似,又有很大不同,因为两者均属于船舶的一部分,具有共同的振动特性,但是各阶模态的参与程度不同．船体测点的振动比基座小,其反映了振动传递过程中的能量损耗．

图7表明,船体的最大振动响应出现在主机舱附近．低频区船尾的振动响应较船首和船身较大,个别频率点甚至超过主机舱的振动,这与船尾的局部振动模态有关．在中心频率f为16,40,160 Hz的频带内,4个部位的振动都出现极大值．

图7 机舱、船首、船尾、船身振动响应Fig.7 Comparison of vibration responses of cabin, stem, stern and ship body

3.3 机舱尺寸对振动噪声影响的评估

运行参数化建模功能模块,将船舶舱室长度从12 m改变为16 m;运行噪声预报模块,得到船舶水下噪声声压级．图8，9分别给出了船体外板的振动响应和水下声辐射．

图8 机舱长度改变前后的船体外板振动对比Fig.8 Comparison of hull vibrations before and after the cabin length is changed

由图8可见,舱段长度变大使得船体外板的振动速度变大．其原因在于舱室段结构强度减弱．振动增强又导致水下噪声声压级LP增大(图9)．

图9 机舱长度改变前后的水下噪声对比Fig.9 Comparison of underwater noise before and after the cabin length is changed

3.4 基座结构对振动噪声影响的评估

运行参数化建模功能模块,将主机基座腹板厚度从10 mm增大到15 mm;运行噪声预报模块,得到船舶水下噪声声压级．图10给出了噪声预报结果．由图可见,基座腹板增厚,水下噪声增强．其原因在于基座刚度增加使得振动传递特性增强．在具体进行结构的声学设计时,若减弱基座的结构,在增大基座振动的同时,又减弱了基座对动力设备振动的传递．其间的关系呈现复杂性,需要仔细斟酌减弱基座的正面与负面影响．

图10 基座结构参数改变前后的水下噪声对比Fig.10 Comparison of underwater noise before and after the base structure is changed

4 结论

1) 基于PCL的结构参数化建模结合基于MATLAB的船舶振动噪声评估为船体结构的声学优化提供了新的手段,使得在设计阶段对未来船舶的声学性能做出较为准确的预报成为可能．

2) 通过机舱以及设备基座结构的参数化,研究了机舱及基座结构对船体振动以及水下声辐射的影响．其间的变量包括机舱的尺寸、舱壁厚度、舱壁加强筋板厚度、基座的尺寸、基座面板厚度、腹板厚度、肘板间距及厚度等．从程序给出的大量数据及曲线,可以对船体结构的各种设计方案及其声学特性做出评估．

3) 船体结构包含众多构件,参数化模型中各构件的协调成为编写PCL的关键．对于振动噪声影响很小的某些细节可以适当简化,以便减少计算工作量．这需要对船舶的振动噪声特性有相当的理解．由于船体结构的复杂性,参数化通常以母型船为基础进行部分参数的修改．

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