船舶噪声模拟课件

1、Copyright Free Field TechnologiesFFT ACTRANACTRAN在船舶行业的应用李奇 博士欢迎加入ACTRAN QQ群：812899832Copyright 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3Copyright Free Field TechnologiesACTRAN 软件背景 1998，Jean-Pierre Coyette教授、Jean-Louis Migeot教授创

2、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。4Copyright Free Field TechnologiesLocations5Copyright Free Field Technologies海基声学部门 咨询项目 某型飞机典型结构、空调系统、机翼声学设计与优化

3、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6Copyright Free Field TechnologiesACTRAN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:ACTRAN7:207Copyright Fre

4、e Field TechnologiesThe ACTRAN software suiteACTRAN Vibro-AcousticsACTRAN Aero-AcousticsACTRAN TMACTRAN AcousticsACTRAN DGMACTRAN VIACTRAN for NASTRAN8Copyright 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、715、719、青岛海洋仪器仪表研究所、沪东重机 高等院校 上海交通

5、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 TechnologiesActran 在船舶行业的应用Examples of shipbuilding Applications10Copyright Free Field TechnologiesACTRAN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

6、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12Copyright 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 应力12电压应变1213Copyright Free Field Technologies应用1-换能器仿真分析 压

7、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14Copyright 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 15Copyright Free Field Technologies应用1-换能器指向性分析 换能器仿真 远场指向性 16Copyright 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17Copyright 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

8、阵模拟18Copyright 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19Copyright Free Field TechnologiesACTRAN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 Technolo

9、gies应用2- 附加质量效应Application Review21Copyright Free Field TechnologiesACTRAN 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22Copyright Free Field TechnologiesACTRAN 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

10、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)23Copyright 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24Copyright 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

11、模型声媒质（自由场）Automatic Actran coupling process in both direction: fluidstructure25Copyright Free Field Technologies 远场声压结果 48 Hz48 Hz120.5 Hz120.5 Hz86.5 Hz86.5 Hz46.5 Hz46.5 Hz13.5 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26Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在船舶行业的应用 应用1：换能器仿

12、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 船舱窗结构隔声分析Presented at DAGA 09Bernard Van Antwerpen, Diego dUdekem 1, Christof Weienborn 2 1 Free Field Technologies SA, Belgium, Email: be

13、rnard.vanantwerpenfft.be2 Germanischer Lloyd, Germany, Email: christof.weissenborngl-“Vibro-Acoustic simulation of structure-borne induced radiation of ship windows”28Copyright 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29Copyright

14、 Free Field TechnologiesActran 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30Copyright Free 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31Copyright Free Field TechnologiesACTRA

15、N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4- 舰艇螺旋桨噪声仿真分析Application Review33Copyright Free Field TechnologiesACTRAN / Aero-acoustics 湍流噪声计算流程湍流噪声计算流程CFD - LES/DES非

16、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 .34Copyright Free Field TechnologiesACTRAN / Aero-acoustics 计计算原理算原理 CFD计算 (URANS, LES, DNS, )

17、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 WsCAA 计算域 W(Actran/AA, FEM)无反射边界 Ge控制面/面声源 Gs测量点35Copyright 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36Copyright Free Field TechnologiesACTRAN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

18、 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5-拉法耶级护卫舰声学处理仿真分析Application Review38Copyright Free Field TechnologiesPropeller 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

19、域建立模型50 m30 m15 m130 m16 m39Copyright 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 featuresComputation statisticsNodes100,000Elements650,000Dofs150,000RAM3.5GBCPU/freq 2 minComputer 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

20、压强条件 40Copyright Free Field Technologies 虚拟传声器设置距船体40米 (在无限元域)Results Pressure field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41Copyright Free Field TechnologiesACTRAN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

21、器分析Copyright Free Field Technologies应用6-柴油发动机辐射噪声分析Application Review43Copyright Free Field Technologies4.4 m3 m1.5 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)4

22、4Copyright Free Field Technologies计算步骤3. 后处理与结果分析FRFsWaterfallMapsWaterfall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 !45Copyright 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

23、速度结果Pellicular basis acceleration zoneWith/without admittanceField Points46Copyright 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 4radiating 147Copyright Free Field TechnologiesACTRAN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

24、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7- 潜艇整体声学分析Application Review49Copyright Free Field TechnologiesACTRAN 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

25、内外压差效应无线单元外设置场点网格可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 m74 m温度密度深度50Copyright 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)51Copyright 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)52Copyright Free Field TechnologiesACTRAN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53Copyright 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