付建，王永生，丁科，魏應(yīng)三

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430033）

螺旋槳激振力作用下船體振動(dòng)及水下輻射噪聲研究

付建，王永生，丁科，魏應(yīng)三

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430033）

利用有限元法和邊界元方法分析比較了螺旋槳激振力三個(gè)方向分力（軸向、橫向、垂向）分別作用以及同時(shí)作用時(shí)引起的船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)與水下輻射噪聲。結(jié)果表明，船體結(jié)構(gòu)在螺旋槳激振力作用下在軸頻、葉頻、一倍葉頻、二倍葉頻以及船體固有頻率處振動(dòng)響應(yīng)出現(xiàn)線譜；橫向螺旋槳激振力引起的船體水下輻射噪聲最大，垂向力其次，最小是軸向力；三個(gè)方向激振力同時(shí)作用時(shí)船體最大輻射聲功率出現(xiàn)在葉頻處，主要由橫向力引起，其次是軸頻處，主要由軸向力引起。分析其原因主要是橫向激振力在葉頻時(shí)最大，而且與船體固有頻率接近，產(chǎn)生共振，軸向力在軸頻處次之。

艦船；流固耦合；結(jié)構(gòu)振動(dòng)；聲輻射；有限元；邊界元

0 引言

艦艇航行時(shí)在艉部會(huì)形成不均勻伴流場(chǎng)，螺旋槳在不均勻伴流場(chǎng)中工作會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)激振力，經(jīng)船尾螺旋槳推進(jìn)軸系、推力軸承及其基座傳遞到殼體，引起殼體產(chǎn)生振動(dòng)進(jìn)而激起水下輻射噪聲[1-2]。

針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多針對(duì)潛艇做了研究，卻較少對(duì)水面艦船做相應(yīng)研究。Pan Jie等[3]認(rèn)為螺旋槳通過(guò)推力軸承引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)是低頻線譜和艇體水下輻射噪聲的一個(gè)主要來(lái)源。Dylejko等[4]基于四端參數(shù)和傳遞功率流的方法研究了加裝軸向減振器對(duì)潛艇噪聲的影響。Kinns等[5-6]研究了螺旋槳脈動(dòng)力通過(guò)軸系傳遞到艇體上的振動(dòng)。馮國(guó)平等[7]通過(guò)有限元/邊界元（FEM+BEM）對(duì)潛艇艉部的聲振特性進(jìn)行了研究，得出縱向激勵(lì)下推力軸承基座是主要傳播途徑的結(jié)論。曹貽鵬、張文平等[8]也對(duì)軸系縱向振動(dòng)的減震降噪進(jìn)行了研究。Merz等[9-10]研究了潛艇艇體在螺旋槳力激勵(lì)下的響應(yīng)，認(rèn)為通過(guò)流體傳遞的力引起的響應(yīng)是通過(guò)軸系引起響應(yīng)的10%-50%；此外他們又結(jié)合FEM/BEM數(shù)值計(jì)算方法研究了有加強(qiáng)筋、艙壁和推進(jìn)軸系的潛艇結(jié)構(gòu)在軸向激勵(lì)下的艇體軸向振動(dòng)和聲輻射特性。Mauro等[11-13]通過(guò)有限元/邊界元的方法用兩端為錐體的加肋圓柱殼模擬潛艇結(jié)構(gòu)，并分析其諧響應(yīng)問(wèn)題，同時(shí)還研究了其聲輻射特性。魏應(yīng)三等[14]采用FEM+BEM方法計(jì)算了潛艇結(jié)構(gòu)在螺旋槳激振力作用下的振動(dòng)響應(yīng)和水下輻射噪聲。

本文在DTMB5415船型的基礎(chǔ)上，參照大多數(shù)軍艦共同外形和基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充的簡(jiǎn)化模型，采用FEM+BEM方法，研究了在螺旋槳激振力作用下，引起的船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)及水下輻射噪聲特性。

1 艦艇結(jié)構(gòu)振動(dòng)的數(shù)值計(jì)算

1.1 船體結(jié)構(gòu)及有限元網(wǎng)格劃分

本研究所用船體結(jié)構(gòu)在DTMB5415船型基礎(chǔ)上補(bǔ)充完成，模型長(zhǎng)度5.72 m，包括6個(gè)艙室、5層甲板、舵以及螺旋槳及其軸系。板結(jié)構(gòu)由縱、橫加強(qiáng)筋加強(qiáng)，如圖1所示。

圖1 船體幾何模型Fig.1 Geometry model of the ship

圖2 艦船結(jié)構(gòu)網(wǎng)格Fig.2 Mesh of ship structure

圖3 艦船結(jié)構(gòu)和周圍流場(chǎng)的網(wǎng)格Fig.3 Mesh of ship structure and surrounding fluid

文中對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖2所示。網(wǎng)格尺寸根據(jù)板的彎曲波理論確定，一個(gè)波至少有六個(gè)單元。其中，12 677個(gè)SHELL63單元，8 761個(gè)BEAM188單元，4 972個(gè)SOLID45單元。SHELL63單元主要用于模擬艦船甲板、船體和主隔壁等；BEAM188單元主要用于模擬肋板、桁架、橫向和縱向肋骨等；SOLID45單元主要用于模擬軸承基座等設(shè)備。如圖3所示，在水線以下，船體外部是流體，對(duì)周圍流場(chǎng)進(jìn)行自由劃分。整個(gè)流體單元中，與船體接觸的流體用8 265個(gè)FLUID30（Present）單元模擬，不接觸的流體用123 495個(gè)FLUID30（Absent）單元模擬。吸聲半球面由2 700個(gè)FLUID130單元模擬，這些單元與60 m處的FLUID30單元共用節(jié)點(diǎn)，船體與水接觸的殼體單元節(jié)點(diǎn)與相接觸的流體單元建立耦合，代表流固耦合交界面，從而完整建立了艦艇結(jié)構(gòu)流—固耦合系統(tǒng)的模型。

1.2 流—固耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移響應(yīng)計(jì)算

本文所用螺旋槳激振力是由CFD方法進(jìn)行“船+槳”數(shù)值自航試驗(yàn)得到的，如圖4所示，該結(jié)果已經(jīng)過(guò)校核[15]。其中，軸向?yàn)榕灤七M(jìn)方向，存在軸頻、葉頻、二倍葉頻和三倍葉頻四個(gè)線譜，橫向和垂向都存在葉頻、二倍葉頻和三倍葉頻三個(gè)線譜。文中將軸向、橫向、垂向三個(gè)方向激振力分別和同時(shí)加載到螺旋槳上，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)值計(jì)算；同時(shí)針對(duì)上述四種情況也做了單位力作用下的振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，得到船體振動(dòng)的均方振速，均方振速反映了船體振動(dòng)響應(yīng)的強(qiáng)弱程度，如圖5-8所示。

圖4 螺旋槳激振力的頻譜分析Fig.4 Spectrum analysis of propeller excitations

圖5 軸向力作用下船體均方振速Fig.5 Quad velocity of ship hull by shaft force

圖6 橫向力作用下的船體均方振速Fig.6 Quad velocity of ship hull by transverse force

由圖5（a）可以看出，船體在軸向螺旋槳激振力作用下，分別在軸頻、葉頻、二倍葉頻、三倍葉頻和85 Hz處出現(xiàn)線譜，軸頻、葉頻、二倍葉頻和三倍葉頻對(duì)應(yīng)著螺旋槳軸向激振力的線譜，如圖4所示；85Hz對(duì)應(yīng)著船體的固有頻率，如圖5（b）所示。最大振動(dòng)響應(yīng)出現(xiàn)在軸頻處，而不是激振力最大的葉頻，這主要是因?yàn)檩S頻接近船體固有頻率，而葉頻不在船體固有頻率附近，如圖5（b）所示。

由圖6（a）可以看出，船體在橫向螺旋槳激振力作用下，在葉頻、二倍葉頻、22 Hz和112 Hz處出現(xiàn)線譜，葉頻和二倍葉頻對(duì)應(yīng)著橫向激振力的線譜，如圖4所示；22 Hz和112 Hz對(duì)應(yīng)著船體結(jié)構(gòu)的固有頻率，如圖6（b）所示。船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)最大響應(yīng)出現(xiàn)在葉頻，因?yàn)樗咏w固有頻率35 Hz，如圖6（b）所示。

由圖7（a）可以看出，船體在垂向螺旋槳激振力作用下，在葉頻、二倍葉頻、三倍葉頻、11 Hz和85 Hz處出現(xiàn)線譜，葉頻、二倍葉頻和三倍葉頻對(duì)應(yīng)著垂向螺旋槳激振力的線譜，如圖4所示；11 Hz和85 Hz對(duì)應(yīng)著船體的固有頻率，如圖7（b）所示。

圖7 垂向力作用下的船體均方振速Fig.7 Quad velocity of ship hull by vertical force

由圖8（a）可以看出，船體在三個(gè)方向的螺旋槳激振力作用下，均方振速在軸頻、葉頻、二倍葉頻、22 Hz、85 Hz和112 Hz處出現(xiàn)線譜，軸頻、葉頻和二倍葉頻對(duì)應(yīng)著螺旋槳激振力的線譜，如圖4所示；22 Hz、85 Hz和112 Hz對(duì)應(yīng)著船體結(jié)構(gòu)的固有頻率，如圖8（b）所示。其中，最大響應(yīng)出現(xiàn)在葉頻處，因?yàn)樵诖祟l率下螺旋槳激振力幅值最大，且接近船體的固有頻率35 Hz。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在船體固有頻率附近，螺旋槳激振力所引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)都較為顯著。

圖8 三個(gè)方向力作用下的船體均方振速Fig.8 Quad velocity of ship hull by three forces

2 艦船水下輻射噪聲數(shù)值計(jì)算

2.1 船體邊界元模型

本文將通過(guò)有限元方法得到的船體外表面在各個(gè)螺旋槳激振力作用下的位移響應(yīng)導(dǎo)入到邊界元聲學(xué)軟件SYSNOISE中，作為艦船水下輻射噪聲計(jì)算模型的速度邊界條件，并施加于從ANSYS軟件中導(dǎo)出的船體外表面上，從而建立水下輻射噪聲計(jì)算的邊界元模型，圖9即為船舶水下輻射噪聲計(jì)算的邊界元模型。

圖9 船舶水下輻射噪聲計(jì)算的邊界元模型Fig.9 BEM model for calculation of ship underwater radiated noise

2.2 船體水下輻射噪聲分析

我們將通過(guò)有限元方法得到的船體表面的單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和節(jié)點(diǎn)振動(dòng)位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入到邊界元軟件SYSNOISE中，組成聲學(xué)邊界元模型，對(duì)軸向、橫向、垂向三個(gè)方向分別和同時(shí)加載到艦艇結(jié)構(gòu)上這四種工況進(jìn)行了水下輻射噪聲的計(jì)算分析，得到了四種工況下船體表面的輻射聲功率，圖10-13所示為螺旋槳激振力作用下船體外殼輻射聲功率隨頻率的改變。

圖10 軸向激振力引起的船體外殼輻射聲功率Fig.10 Radiant noise power of ship hull by shaft force

圖11 橫向激振力引起的船體外殼輻射聲功率Fig.11 Radiant noise power of ship hull by transverse force

由圖10可以看出，船體在軸向螺旋槳激振力作用下，輻射聲功率在軸頻、葉頻、二倍葉頻、三倍葉頻和85 Hz處出現(xiàn)線譜，它們對(duì)應(yīng)著船體均方振速的線譜，如圖5（a）所示。最大輻射聲功率出現(xiàn)在軸頻，而不是激振力最大的葉頻，主要是因?yàn)檩S頻接近船體固有頻率，而葉頻不在船體固有頻率附近，如圖5（b）所示。

由圖11可以看出，船體結(jié)構(gòu)在橫向螺旋槳激振力作用下，船體的輻射聲功率在葉頻、二倍葉頻、22 Hz和112 Hz處出現(xiàn)線譜，說(shuō)明此處輻射噪聲較強(qiáng)烈，它們對(duì)應(yīng)著船體均方振速的線譜，如圖6（a）所示；最大輻射聲功率出現(xiàn)在葉頻，主要因?yàn)槿~頻時(shí)螺旋槳激振力最大，且船體在葉頻處出現(xiàn)固有頻率產(chǎn)生共振。

圖12 垂向激振力引起的船體外殼輻射聲功率Fig.12 Radiant noise power of ship hull by shaft Force

圖13 三個(gè)方向激振力引起的船體外殼輻射聲功率Fig.13 Radiant noise power of ship hull by three forces

由圖12可以看出，船體在垂向螺旋槳激振力作用下，輻射聲功率在葉頻、二倍葉頻、三倍葉頻、11 Hz和85 Hz處出現(xiàn)線譜，它們對(duì)應(yīng)著船體均方振速的線譜，如圖7（a）所示，最大輻射聲功率出現(xiàn)在葉頻。

由圖13可以看出，船體在三個(gè)方向螺旋槳激振力同時(shí)作用下，輻射聲功率在軸頻、葉頻、二倍葉頻、22 Hz、85 Hz和112 Hz處出現(xiàn)線譜，它們對(duì)應(yīng)著船體均方振速的線譜，如圖8（a）所示，最大輻射聲功率出現(xiàn)在葉頻，這主要因?yàn)槁菪龢ふ窳υ谌~頻處最大，同時(shí)葉頻時(shí)船體橫向存在固有頻率。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用FEM+BEM方法，研究了在螺旋槳激振力作用下，船體的機(jī)構(gòu)振動(dòng)以及水下聲輻射特性。文中通過(guò)有限元方法得到了相應(yīng)激勵(lì)下船體外殼的振動(dòng)位移響應(yīng)，作為邊界條件，并將船體外殼在ANSYS中的網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入SYSNOISE中，構(gòu)建邊界元模型，計(jì)算船體水下聲輻射。上述工作有如下結(jié)論：

（1）使用的流固耦合系統(tǒng)可以有效地模擬船體在螺旋槳激振力作用下的振動(dòng)響應(yīng)，得到船體在螺旋槳激振力線譜和船體固有頻率處振動(dòng)響應(yīng)較為強(qiáng)烈。

（2）通過(guò)FEM/BEM方法，有效地研究了螺旋槳激振力作用下的船體水下輻射噪聲特性，得到船體水下輻射噪聲的輻射聲功率、噪聲場(chǎng)輻射聲壓等聲學(xué)參數(shù)，可以有效地分辨幾個(gè)方向螺旋槳激振力對(duì)船體水下輻射噪聲的影響。

（3）三個(gè)方向激振力同時(shí)作用時(shí)船體最大輻射聲功率出現(xiàn)在葉頻處，最大值為67 dB，由橫向力引起；其次是軸頻處，值為55 dB，由軸向力引起；分析其原因主要是橫向激振力在葉頻時(shí)最大，而且與船體固有頻率接近產(chǎn)生共振。

綜上可以看到，螺旋槳激振力引起的船體振動(dòng)及水下輻射噪聲主要受激振力特性和船體固有頻率影響。橫向力所激起的振動(dòng)及水下輻射噪聲最大，而不是人們想象中的軸向最大的原因是結(jié)構(gòu)橫向模態(tài)接近激振力葉頻。所以適當(dāng)改進(jìn)船體結(jié)構(gòu)，使其固有頻率遠(yuǎn)離螺旋槳激振力線譜頻率，可以有效降低螺旋槳激振力引起的水下輻射噪聲。

[1]Roger K,Iain T,Nicole K.Hull vibratory forces transmitted via the fluid and the shaft from a submarine propeller[C]//5th International Conference on High Performance Marine Vehicles.Australia,2006:72-84.

[2]Wei Y S,Wang Y S,Chang S P.Numerical prediction of propeller excited acoustic response of submarine structure based on CFD,FEM and BEM[J].Journal of Hydrodynamics,2012,24(2):207-216.

[3]Pan Jie,Farag N,Lin T,et al.Propeller induced structural vibration through the thrust bearing[C]//Aoustics 2002-Innovation in Acoustics and Vibration Annual Conference of the Australian Acoustical Society,13-15 November 2002.Adelaide,Australia,2012.

[4]Dylejko P G,Kessissoglou N J,Tso Y K,et al.Optimisation of a resonance changer to minimise the vibration transmission in marine vessels[J].Journal of Sound and Vibration,2007,300(1):101-116.

[5]Kinns R,Thompson I,Kessissoglou N,et al.Hull vibratory forces transmitted via the fluid and the shaft from a submarine propeller[C]//5th International Conference on High Performance Marine Vehicles,8-10 November,2006.Australia, 2006:72-84.

[6]Merz S,Kinns R,Kessissoglou N.Structural and acoustic responses of a submarine hull due to propeller forces[J].Journal of Sound and Vibration,2009,325:266-286.

[7]馮國(guó)平,諶勇,黃修長(zhǎng),等.艦艇艉部縱向激勵(lì)傳遞特性分析[J].噪聲與振動(dòng)控制,2009,6:132-135. Feng Guoping,Chen Yong,Huang Xiuchang,et al.Study on transmission paths in submarine stern excited longitudinally [J].Journal of Sound and Vibration,2009,6:132-135.

[8]曹貽鵬,張文平.軸系縱振對(duì)雙層圓柱殼體水下聲輻射的影響研究[J].船舶力學(xué),2007,11(2):293-299. Cao Yipeng,Zhang Wenping.A study on the effects of the longitudinal vibration of shafting on acoustic radiation from underwater double cylindrical shell[J].Journal of Ship Mechanics,2007,11(2):293-299.

[9]Sascha M,Nicole K,Roger K.Excitation of a submarine hull by propeller forces[J]//14th International Congress on Sound Vibration.Australia,2007.

[10]Sascha M,Roger K,Nicole K.Structural and acoustic responses of a submarine hull due to propeller forces[J].Journal of Sound and Vibration,2009(7):266-286.

[11]Mauro C,Nicole K.Low frequency structural and acoustic responses of a submarine hull under eccentric axial excitation from the propulsion system[C]//Proceedings of Acoustics.Australia,2008.

[12]Mauro C,Nicole K.Acoustic signature of a submarine hull under harmonic excitation[J].Applied Acoustics,2009(8):17-31.

[13]Mauro C.Structural and acoustic responses of a submarine vessel[D].UNSW,2009.

[14]Wei Y S,Wang Y S,Ding K.Submarine underwater structure-borne noise and flow noise due to propeller excitation[J]. Acoustics Australia,2012,40(2):122-127.

[15]丁科,王永生,魏應(yīng)三.船艉螺旋槳激振力的數(shù)值預(yù)報(bào)[C].第十一屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第二十三屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì),中國(guó),無(wú)錫,2012. Ding K,Wang Y S,Wei Y S.Calculation prediction of fluctuating force of behind-ship propeller[C]//Proceeding of the 11th National Congress on Hydrodynamics&24th National Conference on Hydrodynamics and Commemoration of the 100th Anniversary of Zhou Per-yuan’s Birth.Wuxi,China,2012.

更正

2015年第1-2期第134頁(yè)“海洋動(dòng)態(tài)纜緩S型布置及參數(shù)靈敏度分析”一文中的作者原為“盧青針（1983-），男，講師”，現(xiàn)更正為“盧青針（1983-），女，講師”。

Research on vibration and underwater radiated noise of ship by propeller excitations

FU Jian,WANG Yong-sheng,DING Ke,WEI Ying-san
(College of Marine Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

The finite element method(FEM)and boundary element method(BEM)are used to calculate the structure vibration and underwater radiated noise of ship structure caused by the propeller excitations.It is analyzed and compared that the influence of vibration and underwater radiated noise are caused by three direction forces(shaft,transverse and vertical).The study shows that the vibration response appears line spectrum at axial passing frequency(APF),blade passing frequency(BPF),2BPF and ship nature frequencies.The underwater radiated noise is the biggest excited by the transverse force,then is the vertical force,last is the shaft force.The biggest radiated noise power of ship hull by three forces is mainly excited by transverse force at BPF,then is excited by shaft force at APF.It mainly berceuses that the BPF of transverse force is approach with ship nature frequency.

ship;fluid-structure interaction;structure vibration;acoustic radiation;FEM;BEM

TB553U663

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.04.016

1007-7294（2015）04-0470-07

2014-11-17

付建（1985-），男，博士生，E-mail:fujian_hgd@163.com；王永生（1955-），男，教授，博士生導(dǎo)師。