[发明专利]基于S‑P‑R的船舶结构振动与噪声预报系统

说明书

技术领域

本发明属于船舶设计建造技术领域，具体涉及一种基于S-P-R的船舶结构振动与噪声预报系统。

背景技术

船舶噪声与振动不仅损害船员的健康，妨碍船员的正常工作，而且易造成船体结构的疲劳、破坏，所以控制船舶噪声与振动十分必要。尤其是随着IMO及各船级社对船舶结构振动及舱室噪声的限制标准越加严格，船舶工程及技术人员针对船舶结构振动及结构声传递机理展开了一系列研究，并提出了相应的减振降噪措施，研究范围从简单的典型船舶连接结构到整船结构振动，从单一的平面波到多种相互耦合的非平面波。

通过对船舶结构声传递及减振技术方面近二十年的研究文献的回顾和整理，发现其研究方法主要有解析法、数值法和实验法。

(1)解析法

解析法主要思路是将系统建立成简化的力学模型，建立相应的振动微分方程，并求解得到系统在外激励下的响应。该方法对数学要求较高，通常需要求解复杂边界条件下的微分方程组。为了简化计算，研究人员在传统解析方法上提出了波分析法(Wave Approach)，其主要思想是：首先将整个结构分解成若干连续规则的子结构(通常是平板和直梁)的组合。然后将各子系统振动速度或位移场表示成各类满足该子系统振动微分方程的简谐波叠加。最后利用不连续处(子系统的边界或外激励点)速度或位移的连续性以及应力的平衡而求解得到这些间谐波的幅值及相位的大小以及相互关系。解析法在参数分析方面有一定优势，同时也能对实验及数值算法的优化提供理论依据。但是，随着模型规模的增大，微分方程的数量和复杂程度也会增加。在某些特殊条件下，部分微分方程甚至不存在解析解。

因此，解析法多用于针对简化模型的机理性研究，而难以用于复杂实际结构的工程分析，尤其不适用于复杂的船舶结构。

(2)数值法

数值法是和解析法对应一种研究方法，主要是为了简化分析和计算而提出的“近似”方法。在结构振动分析中，主要用到的是有限元法(FEM)、迁移矩阵方法和统计能量分析(SEA)。

①有限元法(FEM)

有限元法基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限的且按一定方式互相联系在一起的单元的组合体，然后利用在每个单元内假设的近似函数(插值函数)来分片地表示全求解域上的未知场函数。对于静力学问题，其主要思路是首先将整个系统按照其结构特点划分成不同的单元的组合体，比如：三维的体单元(弹性体)，两维的面单元(平板)，一维的线单元(杆、梁或者轴)及零维的点单元(集中质量或质点)。然后分别对不同的单元选取不同的插值函数，并利用其将单元内任意点的位移表示成单元结点位移的插值。再根据插值得到的系统位移函数利用最小位能原理求解得全部结点在一定外载荷及边界条件下的位移。最后就可以根据结点位移插值得到系统任意点的位移响应了。对于动力学问题，除了弹性力之外还必须考虑惯性力及粘性力，动力学问题的有限元法的实质就是将求解连续系统的偏微分方程或方程组的问题转化成由有限个结点构成的多自由度系统的常微分方程组的求解的方法。从以上内容来看，单元的划分及各类单元内插值函数的选取就成了有限元法中比较重要的两个方面，而工程实践也证明了单元网格的细化程度及插值函数的阶数直接影响到计算结果的精度。

有限元计算方法需要采用大型的通用计算软件进行。一般是先建立起足够精确的力学模型，然后施加各种约束，进行模态分析。可以得到很多阶的振动模态，结果主要取决于模型的精度、荷载的施加是否合理以及对力学本质过程的理解和简化是否合理。

近年来，有限元法在工程应用中(尤其是静力学方面)起到了较好的效果，但其在动力学的某些方面也逐步暴露出一些问题。由于结构波的波长是随频率的升高而减小的，因此在高频条件下，必须缩小单元尺度(增加单元数)或提高单元插值函数的阶数以保证计算精度，这势必会导致计算量的大大增加。另一方面，在有限元法进行计算的时候，系统的各项物性参数及边界条件都必须是唯一确定的。但是在动态分析中，这些参数及边界条件往往会有一些不确定性，同时高频条件下的计算精度又对参数及边界条件的变化较为敏感。

因此，总的来说有限元法比较适合于低频振动问题的分析，而在高频分析中具有一定局限性。

②迁移矩阵法

迁移矩阵法是比较简略的方法，把船舶作为一条梁分段处理，在不同的横截面上，分别计算其几何尺寸、惯性矩等参数，然后根据船舶最左端的受力边界条件，代入到迁移矩阵处理。由于计算机的普及，一般采用机算的方法，但通常只能得到前面几阶的自振情况，比较粗略。

③统计能量分析(SEA)