船舶噪声分析

RINA-意大利船级社在开发阶段早期使用MSC Nastran帮助客户对船体进行减振降噪分析

面临的挑战

和其他行业一样，降低噪音水平逐渐成为一种趋势开始影响造船工程师的设计过程，目的是为了确保船上所有乘员或工作人员区域的声学舒适性。出于该原因，船东要求造船厂建造最优噪音级别的船舶。RINA-意大利船级社面临的任务是找到一个能够方便，准确处理复杂大规模船舶声学问题的解决方案。

新出的法规根据四个不同的限值定义船体的声学舒适度级别：A级为客轮，B级为渡轮，C级为货船，Y级为娱乐性游艇。例如，在货船的工作区域允许的噪音级别对应是75分贝，而游艇或客轮的旅客舱室是45分贝。

RINA(意大利船级社)是首批决定采纳和应用上述的声学舒适性法规的船级社之一，已有约50艘船只和20艘娱乐性游艇入级RINA并符合上述声学级别要求。

RINA的船体部技术工程师安杰洛托内利解释说，“上述规定，必须对任何新船型的噪音水平作出详细的声级图”。“如果实验结果表明，新的船只不符合规格，船厂将面临重新建造或修改结构的过高成本支出，船厂至少要被迫重建其中一个或多个舱室，通过增加阻尼材料，浮筏隔振或吸音板，从而提高船体的隔声水平，以满足噪音级别要求。在客轮和游艇上，客舱内高噪音是完全不能接受的，因为一个“嘈杂”的舱室会导致乘客对该航线的客轮品牌留下负面印象。所以船厂因为建造的船只不符合噪声规范，就必须支付罚款，这是相当糟糕的情况。”

由于这些因素，很显然，在船体的研发设计阶段，尽可能早的确保船舱的最大噪音水平低于法规要求，对于造船厂来说是至关重要的。为了这个目的，依靠先进的仿真技术，借助船只的有限元模型预测出相应的噪声水平，是非常有意义的。

RINA S.P.A.提供的一个典型应用的例子就是采用这种方法，该案例来自于Rimorchiatori Riuniti di Genova船厂对深海拖船（舱室）甲板噪声的具体研发。在验船过程中，船厂决定要求RINA提供额外服务-评估拖船甲板上的振动和噪声水平，目的是要使设计的船只符合意大利新调整的有关乘员区域中的振动和噪音的监管要求。

“即使作为拖船在舒适法规通常不适用（因为这些法规是为超过200英尺长的货船而制定的）的情况下，我们仍然决定接下该项目评估这种特殊船只的噪音水平，旨在确保该造船厂为最终用户建造一个高品质的产品。” 在谈到该项目的具体要求时托内利说， “由于船的尺度小，事实上管道和发动机所在的位置和工作人员的活动区域非常接近，我们知道该船潜在的问题和货船的振动噪声问题有着相似的特点。” 特定情况下，船厂主要关注的问题是，发动机通气管（见图片2）已被放置在甲板旁边，实际上它通过了工作人员舱室的所在区域。由于排气系统和发动机是在船上振动的主要来源，所以最终这样的布置可能会导致该船只在某些区域会出现高噪音水平。

解决方案

RINA首选MSC.Software公司的MSC Nastran作为解决方案。 MSC Nastran作为集下一代的设计和开发于一体的全面的CAE分析工具，该综合系统提供了真正的多学科仿真手段。 MSC Nastran是为那些需要进行复杂的交互式和多学科模型分析的人员而设计的，MSC Nastran的功能旨在提高效率和简化流程。

例如，振动噪声分析历来被处理成两个分开的步骤，但是MSC Nastran提供了一个综合高效的解决方案，在一个单一的软件包里包含了结构和声学模拟能力，摒弃了需要多个代码的方法。

由于船舶模型的规模较大， 声源（螺旋桨和发动机）的位置通常远离舱室，所以声学仿真在船舶行业通常首先使用SEA（统计能量分析）的方法。

SEA仿真该拖船预测出甲板上的声压（它代表了船上船员大部分时间活动的区域）低于65分贝，而实验结果表明峰值高达69分贝，该数值低于法规所强制要求的数值，但明显比客户要求的限制值要高。

“SEA模拟和实验测量（见图片），提供了声波的低频噪声频谱的组成部分，所以我们决定用MSC Nastran进行仿真模拟，目的是为了验证基于有限元方法是否可以在噪声的传递路径上提供更多的信息。”托内利说，“SEA的方法，通常用于分析大型船只相关的声学模拟，事实上仅提供在不同的声腔的噪音平均值（忽略了远离平均值的可能存在的峰值），而且并不作详细的声振模拟（特别是涉及到低频的值）。此外，用来表征材料的声学特性的数据其一致性很难保证，所以这也是导致最终结果的可靠性不确定的重要原因。在这样特殊的情况下，一个相对较小的模型，用有限元网格进行声振预测是绝对有可能的，因为该模型（约50万自由度）用以分析频率到150赫兹范围内对应的激励频率的声振问题。另外，事实上舱室正好建在发动机上，所以需要详细研究船员活动区域的噪声分布，以准确地判断结构噪声的传播路径，并了解清楚主要的贡献是来自玻璃板还是结构墙。”

有限元分析使用的是一个声振耦合模型，其中包括结构网格和声腔网格。由于分析的目的决定了该分析必须包括上下甲板和声腔模型。 MSC Nastran的结构包，用于生成声腔模型，它可以从结构有限元模型开始识别声腔，消除细节应用不相关的声腔，并通过完全自动化的过程产生声学模型，该模型自动和结构模型耦合，最终创建出一个完整的声振耦合模型。

要获得耦合模型的共振相关信息，声振传递函数对应下面的输入和输出计算：

输入：附着在甲板上对应排气系统两点的同相和异相速度运
输出：甲板上定位在不同高度的垂直对称轴上的测量点和甲板边缘及中间的测量点

好处

使用MSC Nastran，使得RINA用一个单一的软件包能够解决内外声学问题，并获得更快，更准确，高效的仿真解决方案。 MSC Nastran提供一致的模拟信息，包括相关的耦合模型的模态振型，仿真系统的共振，以及在结构选择点的声压，在整体噪声分布上提供额外的细节上的仿真结果。

“该计算结果提供了有价值的信息，这有助于我们确定修改措施，以达到减少甲板上的噪音水平的目的。作为案例，上面显示的结果证实，通过仿真分析确定的共振频率和通过实验测量观察到的频率振型相互匹配。”托内利说，“此外，通过流体/结构耦合模型的分析，就可以了解共振是否是由于上下甲板没有连接到结构上的开口（楼梯，该结构可以考虑为声腔的边界定义为声反射面）引起的，还是是由于甲板结构的自然模态造成的。”