船舶噪声模拟

1、Copyright Free Field Technologies FFT ACTRAN ACTRAN在船舶行业的应用 李奇 博士 欢迎加入ACTRAN QQ群：81289983 2 Copyright Free Field Technologies 船舶的噪声问题 高频 声纳:发射, 接收 声纳远场响应 低频 外部噪声: 螺旋桨噪声 船体辐射噪声 内部噪声: 声源：柴油发动机、风机、螺旋桨 降噪手段：吸/隔声、隔振、消声器 3 Copyright Free Field Technologies ACTRAN 软件背景 1998，Jean-Pierre Coyette教授、Jean-Louis

2、 Migeot教授创立FFT公司， 总部在比利时布鲁塞尔，法国图卢兹、日本东京、美国底特律设有分部 1999-2001，德国劳氏船级社、韩国大宇造船海洋公司、欧洲宇航防务集团 等十一家大型企业，共同资助FFT开发ACTRAN软件 经典声学 振动声学 流动声学 ACTRAN软件集成欧盟与船级社众多科研项目成果，从柴油发动机噪声、舱室 噪声、风机噪声分析算法，产品声学设计优化经验以及高性能求解技术等。 4 Copyright Free Field Technologies Locations 5 Copyright Free Field Technologies 海基声学部门 咨询项目 某型飞机典

3、型结构、空调系统、机翼声学设计与优化 高速列车振动、气动噪声分析 核工业管道共振腔气动噪声分析、声疲劳分析 我们的资质 美国PMP认证资质 国标认证资质（GB/T19001-8008） 国军标认证资质（GJB 9001B-2009） 国防三级保密资格认证 6 Copyright Free Field Technologies ACTRAN技术团队与支持 培训与教学 专题研讨会 噪声分析培训 ACTRAN软件培训 请关注http:/ 技术支持 ACTRAN QQ技术群：81289983 ACTRAN技术论坛：http:/ ACTRAN资料库：ftp:/ACTRAN:ACTRAN211.157.1

4、08.87:20 7 Copyright Free Field Technologies The ACTRAN software suite ACTRAN Vibro-AcousticsACTRAN Aero-AcousticsACTRAN TM ACTRAN Acoustics ACTRAN DGM ACTRAN VI ACTRAN for NASTRAN 8 Copyright Free Field Technologies 国内外船舶行业用户 研究所/企业 国外：劳氏船级社、韩国大宇、现代重工、三菱重工、日立造船等 国内：中船重工701、702、703、昆明705、西安705、708、7

5、15、719、青岛 海洋仪器仪表研究所、沪东重机 高等院校 上海交通大学船舶学院、机械学院 哈尔滨工程大学（哈船）船舶学院、水声学院 华中科技大学 西安交通大学 天津大学机械学院 Copyright Free Field Technologies Actran 在船舶行业的应用 Examples of shipbuilding Applications 10 Copyright Free Field Technologies ACTRAN在船舶行业的应用 应用1：换能器仿真分析 应用2：水下航行体仿真分析 应用3：船舱窗结构隔声分析-瑞利边界元的应用 应用4：舰艇螺旋桨噪声仿真分析 应用5：拉

6、法耶级护卫舰声学处理仿真分析 应用6：柴油发动机辐射噪声分析 应用7：潜艇整体声学分析 应用8：舱板声学分析 应用9：船用消声器分析 Copyright Free Field Technologies 应用1：换能器仿真分析 12 Copyright Free Field Technologies 发射模型 在压电棒界面施加0 伏和1 伏的边 界条件 计算有限元与无限元水域内的声压 响应 应用1-换能器仿真分析 接收模型 在压电棒界面施加0 伏边界条件 在无限元水域内定义点声源 计算压电棒界面的电压响应 1伏 0伏 径向位移约束 轴向位移约束 0 伏 径向位移约束 轴向位移约束 电极 电压 应

7、力 12 电压 应变 1 2 13 Copyright Free Field Technologies 应用1-换能器仿真分析 压电材料属性定义 弹性矩阵、压电矩阵、介电矩阵 压电棒的电压响应 14 Copyright Free Field Technologies 应用1-换能器结构缝隙的粘热效应仿真 压电换能器模型 粘热效应的影响 15 Copyright Free Field Technologies 应用1-换能器指向性分析 换能器仿真 远场指向性 16 Copyright Free Field Technologies 拖曳声纳模型 有限元模型 声压分布 应用1-拖曳声纳模拟 17

8、Copyright Free Field Technologies 自辐射阻抗与互辐射阻抗分析 自辐射阻抗 互辐射阻抗 辐射阻抗结果 应用1-换能器基阵模拟 18 Copyright Free Field Technologies 应用1-水下声散射模拟 计算使用的激励 平面波、点声源或压电换能器激发的声场 圆柱障碍物的水下声散射 19 Copyright Free Field Technologies ACTRAN在船舶行业的应用 应用1：换能器仿真分析 应用2：附加质量效应 应用3：船舱窗结构隔声分析-瑞利边界元的应用 应用4：舰艇螺旋桨噪声仿真分析 应用5：拉法耶级护卫舰声学处理仿真分析

9、 应用6：柴油发动机辐射噪声分析 应用7：潜艇整体声学分析 应用8：舱板声学分析 应用9：船用消声器分析 Copyright Free Field Technologies 应用2- 附加质量效应 Application Review 21 Copyright Free Field Technologies ACTRAN 主要特性 声场媒质与结构有限元 可以考虑附加质量效应 声学无限元 计算远场声辐射 不匹配网格的映射 支持结构与流体使用不同类型的网格 多种激励方式与边界条件，可以与其他CAE工具联合分析 支持真实工况的条件 流体网格 结构网格 22 Copyright Free Field

10、Technologies ACTRAN 模型说明 无限元模拟“自由场”辐射 海平面: 压强设为环境压强 (p=0) Actran建立一个模型，包括流体与结构. 可以考虑流体对结构的附加质量效应 结构与流体耦合 Actran 支持不匹配网格: 结构与流体网格可以使用不同的单元拓扑形式 (例如: 流体使用四面体单元, 结构使用六面体单元) 可以施加不同类型的激 励(结构或声学) 23 Copyright Free Field Technologies 结果比较 水载荷: 相同频率的结果 (70Hz). 变形不同 水对结构的动态响应有非常重要的影响! 完全耦合模型 无流体模型 24 Copyrigh

11、t Free Field Technologies 平板模型 目的: 评价流体附加质量效应对结构的影响 比较两个模型: 1, 流体是空气 2, 流体是水 (高密度流体) 模型尺寸: 1m * 1m 10cm 厚 铝板 点力激励 铝板模型 声媒质（自由场） Automatic Actran coupling process in both direction: fluidstructure 25 Copyright Free Field Technologies 远场声压结果 48 Hz48 Hz 120.5 Hz120.5 Hz 86.5 Hz86.5 Hz46.5 Hz46.5 Hz 13.

12、5 Hz13.5 Hz 平板模型计算结果对比 蓝线: 空气绿线: 水 结论: 水作用于结构时 结构的共振频率向低频移动 1.出现水的共振频率 26 Copyright Free Field Technologies ACTRAN在船舶行业的应用 应用1：换能器仿真分析 应用2：附加质量效应 应用3：船舱窗结构隔声分析-瑞利边界元的应用 应用4：舰艇螺旋桨噪声仿真分析 应用5：拉法耶级护卫舰声学处理仿真分析 应用6：柴油发动机辐射噪声分析 应用7：潜艇整体声学分析 应用8：舱板声学分析 应用9：船用消声器分析 Copyright Free Field Technologies 应用3 船舱窗结构

13、隔声分析 Presented at DAGA 09 Bernard Van Antwerpen, Diego dUdekem 1, Christof Weienborn 2 1 Free Field Technologies SA, Belgium, Email: bernard.vanantwerpenfft.be 2 Germanischer Lloyd, Germany, Email: christof.weissenborngl- “Vibro-Acoustic simulation of structure-borne induced radiation of ship window

14、s” 28 Copyright Free Field Technologies 介绍 船体窗户尺寸很大，它们往往是舰船噪声传入船舱的薄弱环节 需要预测不同窗户模型的声学性能 计算只考虑激励以结构振动方式，透过窗户 空气声也可以很方便的加入分析 典型舰船窗户模型 29 Copyright Free Field Technologies Actran 模型 窗户使用多层玻璃: 考虑氩气层的粘热效应 宽频结构传递激励施加在环绕的框架上: 使用Rain-on-the-roof 形式激励 利用瑞利面，计算窗户的声辐射 模型总览 激励 瑞利面 支撑板随机激励 典型框架结构 30 Copyright Fre

15、e Field Technologies 验证实验 建立全尺寸的实验: 简化的实验模型(修改的边界条件) 声强探头、激光扫描振动仪装置等 激振器激发结构振动 考虑到边界条件形式的不同，实验与计算结果吻合较好 实验装置实验/计算 比较 31 Copyright Free Field Technologies ACTRAN在船舶行业的应用 应用1：换能器仿真分析 应用2：附加质量效应 应用3：船舱窗结构隔声分析-瑞利边界元的应用 应用4：舰艇螺旋桨噪声仿真分析 应用5：拉法耶级护卫舰声学处理仿真分析 应用6：柴油发动机辐射噪声分析 应用7：潜艇整体声学分析 应用8：舱板声学分析 应用9：船用消声器

16、分析 Copyright Free Field Technologies 应用4- 舰艇螺旋桨噪声仿真分析 Application Review 33 Copyright Free Field Technologies ACTRAN / Aero-acoustics 湍流噪声计算流程湍流噪声计算流程 CFD - LES/DES 非定常流场分布 压力，速度，密度，等 ACTRAN - iCFD 根据CFD计算结果通过Lighthill 或 Mohring 声类比提取湍流噪声 源 通过傅里叶变换将时域结果变 换到频域 ACTRAN - Aero-acoustics 传播iCFD计算出的流动声源 计

17、算声场分布以及指定位置的声学 变量 ACTRAN - VI 计算数据后处理，声场云图及频谱显示 From CFD to CAA .From CFD to CAA . 34 Copyright Free Field Technologies ACTRAN / Aero-acoustics 计计算原理算原理 CFD计算 (URANS, LES, DNS, )确定非定常流场 根据非定常流场计算结果提取流动噪声源 Lighthill 声类比 Mhring 声类比 体声源区域 Ws CAA 计算域 W (Actran/AA, FEM) 无反射边界 Ge 控制面/面声源 Gs 测量点 35 Copyrig

18、ht Free Field Technologies Fluent LES 大涡模拟计算结果 (Vmean=5.808m/s, n=36rev/s, J=0.71) 分析结果-5000Hz声压分布 模型与分析结果 速度云图 压力云图 36 Copyright Free Field Technologies ACTRAN在船舶行业的应用 应用1：换能器仿真分析 应用2：附加质量效应 应用3：船舱窗结构隔声分析-瑞利边界元的应用 应用4：舰艇螺旋桨噪声仿真分析 应用5：拉法耶级护卫舰声学处理仿真分析 应用6：柴油发动机辐射噪声分析 应用7：潜艇整体声学分析 应用8：舱板声学分析 应用9：船用消声器

19、分析 Copyright Free Field Technologies 应用5-拉法耶级护卫舰声学处理仿真分析 Application Review 38 Copyright Free Field Technologies Propeller Fairing with ACTRAN 这个例子研究螺旋桨噪声在海水中的辐射，以及船舵做声学处理的效果 法国海军的拉法耶级护卫舰 选取螺旋桨附近区域建立模型 50 m 30 m 15 m 130 m 16 m 39 Copyright Free Field Technologies 导纳边界条件 模拟船舵的声学处理 入射旋转管道模态 模拟真实的螺旋桨噪

20、声源 施加零压强边界条件 空气/水接触面 声学无限元 允许计算远场声辐射 Key ACTRAN features Computation statistics Nodes100,000 Elements650,000 Dofs150,000 RAM3.5GB CPU/freq 2 min Computer Linux 64bit (intel) 螺旋桨激励 船舵的声处理 无限元( 无反射边界 + 远场声传播) 空气/水界面 : 零压强条件 40 Copyright Free Field Technologies 虚拟传声器设置距船体40米 (在无限元域) Results Pressure fi

21、eld 未作声学处理 声学处理 远场指向性 最大噪声降低3dB 声学处理改变了指向性 41 Copyright Free Field Technologies ACTRAN在船舶行业的应用 应用1：换能器仿真分析 应用2：附加质量效应 应用3：船舱窗结构隔声分析-瑞利边界元的应用 应用4：舰艇螺旋桨噪声仿真分析 应用5：拉法耶级护卫舰声学处理仿真分析 应用6：柴油发动机辐射噪声分析 应用7：潜艇整体声学分析 应用8：舱板声学分析 应用9：船用消声器分析 Copyright Free Field Technologies 应用6-柴油发动机辐射噪声分析 Application Review 43

22、 Copyright Free Field Technologies 4.4 m 3 m 1.5 m 柴油发动机噪声 船用柴油发动机声辐射 研究的柴油发动机有以下特点: 16V cylinders 最高转速: 1800 RPM 最大功率 4320KW ( 或5900CV ) 结构动态分析可以使用FEA软件计算 (NASTRAN, ANSYS or ABAQUS ) 利用ACTRAN计算结构的声辐射 声学模型尺度可以计算到1000Hz (order 33 of RPM 1800) 44 Copyright Free Field Technologies 计算步骤 3. 后处理与结果分析 FRFs

23、Waterfal l MapsWaterfal l 振动分析 (Nastran, Ansys, Abaqus) 2. 声学分析 (ACTRAN) 将振动分析结果导入 ACTRAN + Restart Capability ! 45 Copyright Free Field Technologies 使用ACTRAN基于声场结果重建结构振动响应 ACTRAN/Acoustics能够反运算: 利用一系列传声器测量得到的声压结果 ACTRAN/Acoustics重建结构表面的法向振动速度 提取测试结果 结构表面的振动速度结果 Pellicular basis acceleration zone Wi

24、th/without admittance Field Points 46 Copyright Free Field Technologies 声辐射贡献量分析 设定不同控制面，ACTRAN可以自动统计结构不同部位辐射声能； 支持多工况计算，边界元方法无法比拟的计算速度； 对于某一场点的贡献量分析。 radiating 2radiating 3radiating 4 radiating 1 47 Copyright Free Field Technologies ACTRAN在船舶行业的应用 应用1：换能器仿真分析 应用2：附加质量效应 应用3：船舱窗结构隔声分析-瑞利边界元的应用 应用4：舰

25、艇螺旋桨噪声仿真分析 应用5：拉法耶级护卫舰声学处理仿真分析 应用6：柴油发动机辐射噪声分析 应用7：潜艇整体声学分析 应用8：舱板声学分析 应用9：船用消声器分析 Copyright Free Field Technologies 应用7- 潜艇整体声学分析 Application Review 49 Copyright Free Field Technologies ACTRAN 主要特性 与外部CAE工具结合，导入结构振型 结构真实的振型 声学有限元/无限元，与结构单元耦合 完整的振动声学模型，包括内部声场、结构、外部声场，考虑到附加质量效应以及内 外压差效应 无线单元外设置场点网格 可

26、以获得远场的声压分布 支持媒质的非均质特性，例如密度/盐分/温度 17 m 74 m 温度 密度 深度 50 Copyright Free Field Technologies 有限元模型 有限元模型尺寸支持计算频率到500Hz 潜艇的表面分为两部分: 声纳 (前端) 船体 (其余部分) 对船体施以加速度激励 (激励与频率和位置相关) 51 Copyright Free Field Technologies 结果 可以获得声源外部的声学结果（无限元域内），并获得优良的计算精度 船体声辐射 (声压级) 声纳声辐射- 指向性 (声压实部) 52 Copyright Free Field Technologies ACTRAN在船舶行业的应用 应用1：换能器仿真分析 应用2：附加质量效应 应用3：船舱窗结构隔声分析-瑞利边界元的应用 应用4：舰艇螺旋桨噪声仿真分析 应用5：拉法耶级护卫舰声学处理仿真分析 应用6：柴油发动机辐射噪声分析 应用7：潜艇整体声学分析 应用8：舱板声学分析 应用9：船用消声器分析 53 Copyright Free Field Technologies 应用实例8-舱板声学特性分析 利用特殊的面单元模拟加强筋 不同模型比较 ACTRAN实体壳