基于結構聲強法的某游覽船振動能量流向分析

吳梓峰

摘? ? 要：為研究結構聲強技術在船舶振動分析中的應用，以一艘航行于珠江水系的雙體游覽船作為研究對象。首先基于結構聲強理論，通過編寫結構聲強計算模塊對該游覽船進行結構聲強分析及其可視化;然后分析振動能量在船體結構中的主要流動路徑和耗散方式;最后與實船艙室噪聲測試結果作比較，為該類船舶減振降噪問題的研究提供參考。

關鍵詞：結構聲強;振動;流向;游覽船

中圖分類號：U674.11 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： This paper introduces the application of the structural intensity technology in vibration analysis of a traveling cruiser sailing in the Pearl River system. Firstly， based on the structural intensity theory， the structural intensity calculation and visualization of the cruiser are carried out by the calculation module. Then the main flow paths and the dissipation mechanism of vibration energy in hull structure are analyzed. Finally， the calculation results are compared with those of real ship cabin noise test， which can provide reference for the research on vibration and noise reduction of this kind of ship.

Key words： Structural intensity; Vibration; Flow direction; Traveling cruiser

1? ? ?前言

考慮到游覽船的耐久性以及旅客對舒適游覽環境的要求，關于船舶振動控制的標準越來越嚴格。目前研究船舶振動問題的主要手段包括：船體梁固有頻率分析和總振動響應計算;上層建筑固有頻率分析和船體-尾部-上層建筑耦合振動計算;局部結構振動分析等。然而在實際的工程應用中，仍難以據此有效和合理地修改結構設計以減少船舶振動帶來的問題。

結構聲強法同時考慮結構的振動響應和激勵引起的結構內力，可給出激勵源的位置信息，揭示振動能量在復雜結構中的流向特性和耗散方式。目前，運用結構聲強法研究薄板和加筋板的振動特性已有不少：李凱[2]利用功率流理論研究加筋板振動能量的傳輸、分布和耗散特性;梁日興[3]基于結構聲強法研究了平板、加筋板及箱體結構等的振動特性;Xu X，D[4]研究了不同加強筋布置對復合材料層板結構聲強分布的影響;何鵬[5]研究了不同激勵下機艙雙層底的振動傳遞特性。從以上文獻來看，學者們主要以簡單的板架等結構作為研究對象，得出不少富有參考價值的研究成果，但關于結構聲強法在全船結構振動分析中的應用卻較少。本文提出一種適用于船體結構聲強分析及可視化的數值模擬方法，可辨識振動能量從激發源到上部結構的主要流動路徑和耗散方式，為船舶振動控制的研究提供新思路。

2? ? 船體結構聲強計算公式

對于船體結構的有限元分析，通常采用shell單元離散船殼外板、艙壁板、甲板板、上層建筑圍壁和船體骨架的高腹板等;采用beam單元離散加強筋、扶強材、支柱和船體骨架的面板等。若要采用有限元的方法進行船體結構的結構聲強分析，首先要建立起beam單元和shell單元的內力、彎矩、位移和轉角等參數與一維梁和二維板殼的結構聲強之間的函數關系。

3? ?基于PATRAN結果后處理的結構聲強可視化

本文的研究思路是：首先在MSC/Patran中建立全船三維有限元模型，然后調用求解器MSC/Natran進行全船結構的頻率響應分析，并輸出所有beam單元和shell單元的內力、彎矩、位移、轉角等數據（存儲于filename.f06中）;其次，采用Matlab編寫結構聲強計算模塊，讀取和處理filename.f06中的數據，并輸出為MSC/Patran后處理模塊中可讀的結構聲強矢量結果文件（filename.els）;最后，在MSC/Patran的后處理模塊中查看全船的結構聲強矢量圖、幅值圖等，從而實現結構聲強的可視化。基于Patran結果后處理的結構聲強可視化流程圖，如圖1所示。

在復雜的三維全船結構有限元模型中，諸如彎曲的船殼外板上的shell單元，不同單元之間的法向量是各不相同的，意味著每個單元自身的局部坐標系是完全不同的。而有限元求解器MSC/Natran輸出的結果文件中，關于位移、轉角、速度、角速度的信息是基于絕對坐標系的，且是以節點的形式輸出的;關于軸力、剪力、彎矩、扭矩的信息是基于每個單元自身的局部坐標系的，且是以單元的形式輸出的。因此，利用上述（1）、（2a）、（2b）公式計算單元的結構聲強矢量之前，首先要將單元各節點的變形值均分到單元上，即轉化為單元的變形值;其次，還需要將基于絕對坐標系下的單元變形值，轉換為每個單元自身局部坐標系下的單元變形值。

4? ? 某游覽船的結構聲強分析