CN108846192B - 一种结构任意阻尼处理的船舶三维声弹性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构任意阻尼处理的船舶三维声弹性分析方法，涉及声学技术领域，该方法包括：对具有初始阻尼敷设层的船舶结构的有限元模型进行模态分析，得到船舶结构各阶模态的模态阻尼比，将船舶结构各阶模态的模态阻尼比代入船舶结构的声弹耦合动力学方程得到船舶结构的复合结构动力学方程，利用船舶三维声弹性理论对船舶的复合结构动力学方程进行振动噪声分析，并提供以结构声辐射为优化目标的船舶结构阻尼敷设优化设计方案；本发明实现对敷设阻尼的船舶结构的直接振动噪声分析，可广泛用于船舶振动噪声计算时阻尼结构的处理，同时可为船舶阻尼敷设设计提供技术支撑。

Description

一种结构任意阻尼处理的船舶三维声弹性分析方法

技术领域

本发明涉及声学技术领域，尤其是一种结构任意阻尼处理的船舶三维声弹性分析方法。

背景技术

水下辐射噪声是船舶最重要的性能指标之一，船舶的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。在结构噪声中，由船舶的动力装置运转引起的船舶结构振动，并由船体外壳向水下辐射的噪声是其最主要的来源之一，工程上为了降低船舶结构的振动和声辐射，经常在船体上敷设粘弹性阻尼材料形成阻尼层。

目前，对于考虑粘弹性阻尼的船舶结构的减振降噪工程中，大多仅停留在结构的模态及振动频响的分析上，很少直接对粘弹性阻尼结构声固耦合系统的振动-声学特性进行分析，目前船舶三维声弹性理论及计算方法虽然已经得到广泛应用，但如何准确体现粘弹性阻尼结构的动力学参数也仍然一直存在难度，当前的解决方案一般是基于工程经验对粘弹性结构的特征模态施加相应的模态阻尼比，这种方法仅可以针对少数几阶模态，而且精度很难保证，对于复杂结构往往很难模拟，另一方面当前的计算方法很难对阻尼层的敷设提供有效地建议，一般根据工程经验在振动较大的位置敷设阻尼层，但该位置是否与声辐射存在同样大的影响并未可知，目前的分析方法主观性较强、准确性较差。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种结构任意阻尼处理的船舶三维声弹性分析方法，该方法实现对敷设阻尼的船舶结构的直接振动噪声分析，并可以给出以结构声辐射为优化目标的船舶结构阻尼敷设优化设计方案，可广泛用于船舶振动噪声计算时阻尼结构的处理，同时可为船舶阻尼敷设设计提供技术支撑。

本发明的技术方案如下：

一种结构任意阻尼处理的船舶三维声弹性分析方法，包括如下步骤：

建立船舶结构的有限元模型，船舶结构具有初始阻尼敷设层，船舶结构包括N个结构单元，每个结构单元对应不同的阻尼敷设层，N为正整数；

对船舶结构进行模态分析得到各阶模态下每个结构单元的单元应变能；

根据各阶模态下每个结构单元的单元应变能以及每个结构单元对应的阻尼敷设层的阻尼系数计算得到船舶结构各阶模态的模态阻尼比；

将船舶结构各阶模态的模态阻尼比代入船舶结构的声弹耦合动力学方程，得到船舶结构的复合结构动力学方程；

通过求解船舶结构的复合结构动力学方程得到具有初始阻尼敷设层的船舶结构的振动响应及声辐射。

其进一步的技术方案为，根据各阶模态下每个结构单元的单元应变能以及每个结构单元对应的阻尼敷设层的阻尼系数计算得到船舶结构各阶模态的模态阻尼比，包括：

计算每阶模态下各个单元应变能的总和为模态的总应变能；

计算每个结构单元的单元应变能与结构单元对应的阻尼敷设层的阻尼系数的乘积得到结构单元的阻尼耗散能；

计算每阶模态下各个结构单元的阻尼耗散能的总和为模态的总阻尼耗散能；

计算每阶模态的总阻尼耗散能与总应变能的比值得到模态的模态阻尼比。

其进一步的技术方案为，该方法还包括：

基于船舶三维声弹性理论求取船舶结构各阶模态振型的声辐射贡献度，根据各阶模态振型的声辐射贡献度确定各阶模态的声辐射权重因子；

根据各阶模态的声辐射权重因子以及各阶模态下各个结构单元的单元应变能计算得到各个结构单元在频域内的声辐射加权系数；

根据各个结构单元的声辐射加权系数调整船舶结构的阻尼敷设层。

其进一步的技术方案为，根据各个结构单元的声辐射加权系数调整船舶结构的阻尼敷设层，包括：

根据各个结构单元的声辐射加权系数和结构单元对应的阻尼敷设层计算得到船舶结构的各个位置在频域内的声辐射贡献度；

根据船舶结构的各个位置的声辐射贡献度建立船舶结构的声辐射目标函数；

确定约束条件为船舶结构的阻尼敷设层的总量不超过预设总量；

确定声辐射目标函数在约束条件下求得最小值时各个位置对应的阻尼敷设层。

其进一步的技术方案为，根据各阶模态的声辐射权重因子以及各阶模态下各个结构单元的单元应变能计算得到各个结构单元在频域内的声辐射加权系数，包括对每个结构单元计算

其中，计算得到的结果为结构单元的声辐射加权系数，α_i是第i阶模态的声辐射权重因子，e_i是第i阶模态下结构单元的单元应变能，n为模态的总阶数。

本发明的有益技术效果是：

本申请以对船舶振动噪声控制分析具有重要意义的粘弹性阻尼材料的数值模拟问题为重点，结合粘弹性结构动力学与船舶流固耦合振动与声辐射两个研究领域，实现船舶结构任意阻尼处理的船舶三维声弹性计算方法及优化设计，实现对敷设阻尼的船舶结构的直接振动噪声分析，该阻尼处理技术可以以较小的计算成本处理船舶三维声弹性分析时复杂的阻尼模拟问题，该方法实现便利、适用范围广，具有较大的工程应用前景，可广泛用于船舶振动噪声计算时阻尼结构的处理，同时可为船舶阻尼敷设设计提供技术支撑，科学意义而言也有较大的创新性，能够促进该交叉学科的发展。

附图说明

图1是本申请公开的结构任意阻尼处理的船舶三维声弹性分析方法的应用实例流程图。

图2是船舶结构的初始阻尼敷设层的敷设示意图。

图3是利用本申请公开的方法对图2所示的阻尼敷设方案进行优化后的船舶结构的阻尼敷设层的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明公开了一种结构任意阻尼处理的船舶三维声弹性分析方法，本发明包括如下步骤：

步骤一、建立对应船舶结构的有限元模型，有限元模型的建立可以通过现有的有限元分析软件完成。本申请中的船舶结构具有初始阻尼敷设层，根据结构敷设阻尼的不同分别建立对应的单元集合，也即根据结构敷设阻尼的不同将船舶结构划分为N个结构单元，每个结构单元对应不同的阻尼敷设层，方便在后续计算中快速定位各个阻尼区域，N为正整数，N的取值根据实际情况确定。

步骤二、利用有限元分析软件对船舶结构进行模态分析，计算结构模态时可以输出各个结构单元的单元应变能。

步骤三、根据各阶模态下每个结构单元的单元应变能以及每个结构单元对应的阻尼敷设层的阻尼系数计算得到船舶结构各阶模态的模态阻尼比，具体的，本申请采用模态应变能理论，即对任意结构，计算其各阶模态总应变能及其由阻尼材料耗散能量可求得结构各阶模态的模态阻尼比，该步骤包括如下过程：

1、计算每阶模态下各个单元应变能的总和即为该阶模态的总应变能。

2、计算每个结构单元的单元应变能与该结构单元对应的阻尼敷设层的阻尼系数的乘积得到该结构单元的阻尼耗散能。

3、计算每阶模态下各个结构单元的阻尼耗散能的总和即为该阶模态的总阻尼耗散能。

4、计算每阶模态的总阻尼耗散能与总应变能的比值得到该阶模态的模态阻尼比。依据此方法可以计算得到各阶模态的模态阻尼比。

步骤四、在传统的水弹性力学理论中，不采用湿模态作为分析的广义基函数，而是选用易于求解且具有正交完备性的干模态(结构在真空中的模态)作为广义基函数，本文延续了该传统，已知频域内船舶的声弹耦合动力学方程为：

[-ω²([a]+[A])+iω([b]+[B])+([c]+[C])]{q}＝{f_e(ω)}

其中，ω为角频率，矩阵[a]为结构干模态广义质量矩阵，矩阵[b]为结构干模态广义阻尼矩阵，矩阵[c]为结构干模态广义刚度矩阵，矩阵[A]为干模态附连水质量矩阵，[B]是干模态附连水阻尼矩阵，[C]是广义恢复力系数矩阵，{q}为各阶干模态主坐标响应，{f_e(ω)}为广义力的列向量，包括机械激励力或诸如系泊力等其他激励力。

在本申请中，步骤三中计算得到各阶模态的模态阻尼比后，将各阶模态的模态阻尼比所构成的矩阵作为结构干模态广义阻尼矩阵[b]代入到上述声弹耦合动力学方程中，即得到了船舶的复合结构动力学方程。由于船舶的声弹耦合动力学方程是目前较为常用的方程，被广泛应用于船舶三维声弹性分析中，本领域技术人员可以通过查询相关资料确定该方程中其余各个参数的含义和计算方法，因此本申请对上述方程中除结构干模态广义阻尼矩阵[b]之外的其余矩阵的计算方法不作赘述。

步骤五、通过求解步骤四中得到的船舶结构的复合结构动力学方程得到具有初始阻尼敷设层的船舶结构的振动响应及声辐射。

具体的，根据模态叠加原理，由船舶结构的复合结构动力学方程求出各阶模态主坐标响应q_r(r＝1,2,…n)后，计算

得到船舶结构的振动响应，其中，{D_r}为第r阶模态对应的振型位移列向量，n为船舶结构的模态总阶数，n为正整数。得到船舶结构的振动响应后，可以结合船舶流固耦合振动与声辐射理论计算得到船体振动引起的声辐射。现阶段通常是直接利用船舶的声弹耦合动力学方程求解得到传播结构的振动响应及声辐射的，而本申请是利用船舶的复合结构动力学方程求解得到传播结构的振动响应及声辐射的，振动响应的计算方法以及利用振动响应计算声辐射的计算方法与直接利用船舶的声弹耦合动力学方程进行求解相同，目前已经有完备的计算方法和公式，因此本申请不对其计算原理做详细展开描述。

本申请除了利用上述步骤一至五计算得到结构任意阻尼处理的船舶的振动响应及声辐射之外，还可以对船舶结构阻尼敷设方法进行优化设计，包括如下步骤：

步骤六、基于船舶三维声弹性理论对船舶结构进行振动噪声分析，求取船舶结构各阶模态振型的声辐射贡献度，根据各阶模态振型的声辐射贡献度确定各阶模态的声辐射权重因子。对于不同船舶结构，根据其不同功能及激励工况，所关注的声辐射频段也会有所区别，本申请通常的做法是根据各阶模态所对应的湿频率所在区域确定该阶模态振型对声辐射的贡献，模态所对应的湿频率所在区域与声辐射贡献度的对应关系通常根据工程经验确定得到的，确定得到各阶模态振型的声辐射贡献度后，可以换算得到各阶模态的声辐射权重因子，声辐射贡献度越高，对应的声辐射权重因子更大。

步骤七、根据各阶模态的声辐射权重因子以及各阶模态下各个结构单元的单元应变能计算得到各个结构单元在频域内的声辐射加权系数，具体的，对于每个结构单元，计算

得到该结构单元的声辐射加权系数，其中，α_i是第i阶模态的声辐射权重因子，e_i是第i阶模态下结构单元的单元应变能，n为模态的总阶数。

步骤八、根据各个结构单元的声辐射加权系数调整船舶结构的阻尼敷设层，得到以结构声辐射为优化目标的船舶结构阻尼敷设优化设计方案，对初始阻尼敷设层进行优化，包括如下步骤：

1、根据各个结构单元的声辐射加权系数和结构单元对应的现有的阻尼敷设层计算得到船舶结构的各个位置在频域内的声辐射贡献度。

2、根据船舶结构的各个位置的声辐射贡献度建立船舶结构的声辐射目标函数，整个船舶结构的声辐射目标函数为各个位置的声辐射贡献度的总和。

3、确定约束条件为船舶结构的阻尼敷设层的总量不超过预设总量，预设总量可以自定义，设计变量为船舶结构各位置的阻尼敷设层的阻尼系数。

4、确定声辐射目标函数在约束条件下求得最小值时各个位置对应的阻尼敷设层，按照求解得到的结果对船舶结构敷设阻尼敷设层，也即得到了低噪声船舶结构的阻尼敷设建议。

本申请的应用实例的流程示意图请参考图1。在一个实际的例子中，假设船舶结构的初始阻尼敷设层的示意图如图2所示，该船舶结构包括4个结构单元，每个结构单元对应敷设不同的阻尼，图2以不同的填充图示表示不同的阻尼敷设，在经过本申请公开的方法对阻尼敷设进行优化后，该船舶结构的阻尼敷设层的示意图如图3所示，中间黑色填充部分表示敷设阻尼的区域，可以明显看出，图3相对于图2优化了船舶的阻尼敷设结构。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种结构任意阻尼处理的船舶三维声弹性分析方法，其特征在于，所述方法包括：

建立船舶结构的有限元模型，所述船舶结构具有初始阻尼敷设层，所述船舶结构包括N个结构单元，每个结构单元对应不同的阻尼敷设层，N为正整数；

对所述船舶结构进行模态分析得到各阶模态下每个所述结构单元的单元应变能；

根据各阶模态下每个所述结构单元的单元应变能以及每个所述结构单元对应的阻尼敷设层的阻尼系数计算得到所述船舶结构各阶模态的模态阻尼比；

将所述船舶结构各阶模态的模态阻尼比代入所述船舶结构的声弹耦合动力学方程的干模态广义阻尼矩阵中，得到所述船舶结构的复合结构动力学方程；

通过求解所述船舶结构的复合结构动力学方程得到具有所述初始阻尼敷设层的所述船舶结构的振动响应及声辐射。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各阶模态下每个所述结构单元的单元应变能以及每个所述结构单元对应的阻尼敷设层的阻尼系数计算得到所述船舶结构各阶模态的模态阻尼比，包括：

计算每阶模态下各个单元应变能的总和为所述模态的总应变能；

计算每个结构单元的单元应变能与所述结构单元对应的阻尼敷设层的阻尼系数的乘积得到所述结构单元的阻尼耗散能；

计算每阶模态下各个结构单元的阻尼耗散能的总和为所述模态的总阻尼耗散能；

计算每阶模态的总阻尼耗散能与总应变能的比值得到所述模态的模态阻尼比。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于船舶三维声弹性理论求取所述船舶结构各阶模态振型的声辐射贡献度，根据各阶模态振型的声辐射贡献度确定各阶模态的声辐射权重因子；

根据各阶模态的声辐射权重因子以及各阶模态下各个结构单元的单元应变能计算得到各个结构单元在频域内的声辐射加权系数；

根据各个结构单元的声辐射加权系数调整所述船舶结构的阻尼敷设层。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据各个结构单元的声辐射加权系数调整所述船舶结构的阻尼敷设层，包括：

根据各个结构单元的声辐射加权系数和所述结构单元对应的阻尼敷设层计算得到所述船舶结构的各个位置在所述频域内的声辐射贡献度；

根据所述船舶结构的各个位置的声辐射贡献度建立所述船舶结构的声辐射目标函数；

确定约束条件为所述船舶结构的阻尼敷设层的总量不超过预设总量；

确定所述声辐射目标函数在所述约束条件下求得最小值时各个位置对应的阻尼敷设层。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据各阶模态的声辐射权重因子以及各阶模态下各个结构单元的单元应变能计算得到各个结构单元在频域内的声辐射加权系数，包括对每个结构单元计算

其中，计算得到的结果为所述结构单元的声辐射加权系数，α_i是第i阶模态的声辐射权重因子，e_i是第i阶模态下所述结构单元的单元应变能，n为模态的总阶数。

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