船舶结构建模及水下振动和辐射噪声预报

　　引　言

　　船舶水下辐射噪声主要分为三大类:结构噪声、螺旋桨噪声和流噪声,其中在结构噪声中,由船舶的动力装置运转引起的船体结构振动,并由船体外壳向水下辐射的噪声是最主要的来源之一。在船舶低速航行时,结构噪声是船体总辐射噪声级的主要成分。因此模拟实船动力系统上的真实激励,讨论动力装置的振动通过双层船壳的传递以及向外的声辐射是非常有意义的。

　　研究船舶由于结构振动产生的水下辐射噪声,有二个问题是必须考虑的:第一个问题是船舶湿表面和水之间的流-固耦合,以及双层壳体中流体的影响。求解复杂结构的流固耦合问题的困难,往往先计算船舶在真空中的振动问题,而后用表面振动速度来进行声辐射计算,但这样又从物理上违背了流固耦合这一事实。在考虑流固耦合作用的声振研究中,文献[5]提出在低频时将水介质对结构振动的影响通过求解Laplace方程作为附加质量来考虑,然而这样不考虑介质的压缩性,又从根本上忽略了结构振动的声能辐射。在高频时,结构表面边界采用平面波阻抗近似,而这对大多数实际问题是不实用的。

　　第二个问题研究某个动力设备振动引起水下辐射噪声的时候,船体模型应该取得多大。在船舶这样大型复杂结构的振动和声学预报中,不少学者对加肋板、加肋圆柱壳等结构的声振模型进行了大量的研究,并得到了许多可借鉴的经验[1]。实际工程设计上,一般是利用环肋、纵肋将两层壳体焊接而成一体的。这样的结构难以用解析方法求解。即使对单层加肋板、加肋圆柱壳,解析方法求解也是很困难的,要模拟二个舱段就更加难了。

　　理论上,有限元结合边界元的方法(FEM/BEM)对计算结构外部充满无界流体的水动力学问题是很有效的。有限元法的优点是计算结构振动包括流固耦合面上的振动,而边界元法对计算无限域中的声学问题非常有效。计算机技术的迅猛发展为求解复杂的大型船舶结构的耦合声振问题提供了前提,本文尝试利用有限元软件ANSYS计算船舶结构与水下声场的耦合振动,然后将计算得到的外壳面上的振动速度作为声场计算的边界条件,利用边界元软件SYSNOISE,计算声学物理量。论文的主要工作分为两部分,第一部分针对整个实船模型,归纳了船体内部弹性结构的振动、船体内外壳板与水介质的耦合振动以及外部流体域中声辐射的方程,为解决复杂结构的声振问题提供理论依据。第二部分则对一船舶模型进行了耦合振动和声学计算与分析。在这一部分,首先利用ANSYS软件建立了船舶模型耦合振动的有限元模型,并计算了模型的“湿”模态和在动力系统中模拟的激励源的作用下引起的船舶壳板耦合振动。在此基础上,取出计算得到的外壳板面上的振动速度作为边界条件,利用SYSNOISE软件计算了水下声辐射。