螺旋桨激振力作用下船体振动及水下辐射噪声研究

付建，王永生，丁科，魏应三

（海军工程大学动力工程学院，武汉430033）

螺旋桨激振力作用下船体振动及水下辐射噪声研究

付建，王永生，丁科，魏应三

（海军工程大学动力工程学院，武汉430033）

利用有限元法和边界元方法分析比较了螺旋桨激振力三个方向分力（轴向、横向、垂向）分别作用以及同时作用时引起的船体结构振动与水下辐射噪声。结果表明，船体结构在螺旋桨激振力作用下在轴频、叶频、一倍叶频、二倍叶频以及船体固有频率处振动响应出现线谱；横向螺旋桨激振力引起的船体水下辐射噪声最大，垂向力其次，最小是轴向力；三个方向激振力同时作用时船体最大辐射声功率出现在叶频处，主要由横向力引起，其次是轴频处，主要由轴向力引起。分析其原因主要是横向激振力在叶频时最大，而且与船体固有频率接近，产生共振，轴向力在轴频处次之。

舰船；流固耦合；结构振动；声辐射；有限元；边界元

0 引言

舰艇航行时在艉部会形成不均匀伴流场，螺旋桨在不均匀伴流场中工作会产生脉动激振力，经船尾螺旋桨推进轴系、推力轴承及其基座传递到壳体，引起壳体产生振动进而激起水下辐射噪声[1-2]。

针对这一问题，国内外学者大多针对潜艇做了研究，却较少对水面舰船做相应研究。Pan Jie等[3]认为螺旋桨通过推力轴承引起的结构振动是低频线谱和艇体水下辐射噪声的一个主要来源。Dylejko等[4]基于四端参数和传递功率流的方法研究了加装轴向减振器对潜艇噪声的影响。Kinns等[5-6]研究了螺旋桨脉动力通过轴系传递到艇体上的振动。冯国平等[7]通过有限元/边界元（FEM+BEM）对潜艇艉部的声振特性进行了研究，得出纵向激励下推力轴承基座是主要传播途径的结论。曹贻鹏、张文平等[8]也对轴系纵向振动的减震降噪进行了研究。Merz等[9-10]研究了潜艇艇体在螺旋桨力激励下的响应，认为通过流体传递的力引起的响应是通过轴系引起响应的10%-50%；此外他们又结合FEM/BEM数值计算方法研究了有加强筋、舱壁和推进轴系的潜艇结构在轴向激励下的艇体轴向振动和声辐射特性。Mauro等[11-13]通过有限元/边界元的方法用两端为锥体的加肋圆柱壳模拟潜艇结构，并分析其谐响应问题，同时还研究了其声辐射特性。魏应三等[14]采用FEM+BEM方法计算了潜艇结构在螺旋桨激振力作用下的振动响应和水下辐射噪声。

本文在DTMB5415船型的基础上，参照大多数军舰共同外形和基本结构进行补充的简化模型，采用FEM+BEM方法，研究了在螺旋桨激振力作用下，引起的船体结构振动响应及水下辐射噪声特性。

1 舰艇结构振动的数值计算

1.1 船体结构及有限元网格划分

本研究所用船体结构在DTMB5415船型基础上补充完成，模型长度5.72 m，包括6个舱室、5层甲板、舵以及螺旋桨及其轴系。板结构由纵、横加强筋加强，如图1所示。

图1 船体几何模型Fig.1 Geometry model of the ship

图2 舰船结构网格Fig.2 Mesh of ship structure

图3 舰船结构和周围流场的网格Fig.3 Mesh of ship structure and surrounding fluid

文中对船体结构进行结构化网格划分，如图2所示。网格尺寸根据板的弯曲波理论确定，一个波至少有六个单元。其中，12 677个SHELL63单元，8 761个BEAM188单元，4 972个SOLID45单元。SHELL63单元主要用于模拟舰船甲板、船体和主隔壁等；BEAM188单元主要用于模拟肋板、桁架、横向和纵向肋骨等；SOLID45单元主要用于模拟轴承基座等设备。如图3所示，在水线以下，船体外部是流体，对周围流场进行自由划分。整个流体单元中，与船体接触的流体用8 265个FLUID30（Present）单元模拟，不接触的流体用123 495个FLUID30（Absent）单元模拟。吸声半球面由2 700个FLUID130单元模拟，这些单元与60 m处的FLUID30单元共用节点，船体与水接触的壳体单元节点与相接触的流体单元建立耦合，代表流固耦合交界面，从而完整建立了舰艇结构流—固耦合系统的模型。

1.2 流—固耦合系统结构振动位移响应计算

本文所用螺旋桨激振力是由CFD方法进行“船+桨”数值自航试验得到的，如图4所示，该结果已经过校核[15]。其中，轴向为舰船推进方向，存在轴频、叶频、二倍叶频和三倍叶频四个线谱，横向和垂向都存在叶频、二倍叶频和三倍叶频三个线谱。文中将轴向、横向、垂向三个方向激振力分别和同时加载到螺旋桨上，进行了结构振动数值计算；同时针对上述四种情况也做了单位力作用下的振动响应计算，得到船体振动的均方振速，均方振速反映了船体振动响应的强弱程度，如图5-8所示。

图4 螺旋桨激振力的频谱分析Fig.4 Spectrum analysis of propeller excitations

图5 轴向力作用下船体均方振速Fig.5 Quad velocity of ship hull by shaft force

图6 横向力作用下的船体均方振速Fig.6 Quad velocity of ship hull by transverse force

由图5（a）可以看出，船体在轴向螺旋桨激振力作用下，分别在轴频、叶频、二倍叶频、三倍叶频和85 Hz处出现线谱，轴频、叶频、二倍叶频和三倍叶频对应着螺旋桨轴向激振力的线谱，如图4所示；85Hz对应着船体的固有频率，如图5（b）所示。最大振动响应出现在轴频处，而不是激振力最大的叶频，这主要是因为轴频接近船体固有频率，而叶频不在船体固有频率附近，如图5（b）所示。

由图6（a）可以看出，船体在横向螺旋桨激振力作用下，在叶频、二倍叶频、22 Hz和112 Hz处出现线谱，叶频和二倍叶频对应着横向激振力的线谱，如图4所示；22 Hz和112 Hz对应着船体结构的固有频率，如图6（b）所示。船体结构振动最大响应出现在叶频，因为它接近船体固有频率35 Hz，如图6（b）所示。

由图7（a）可以看出，船体在垂向螺旋桨激振力作用下，在叶频、二倍叶频、三倍叶频、11 Hz和85 Hz处出现线谱，叶频、二倍叶频和三倍叶频对应着垂向螺旋桨激振力的线谱，如图4所示；11 Hz和85 Hz对应着船体的固有频率，如图7（b）所示。

图7 垂向力作用下的船体均方振速Fig.7 Quad velocity of ship hull by vertical force

由图8（a）可以看出，船体在三个方向的螺旋桨激振力作用下，均方振速在轴频、叶频、二倍叶频、22 Hz、85 Hz和112 Hz处出现线谱，轴频、叶频和二倍叶频对应着螺旋桨激振力的线谱，如图4所示；22 Hz、85 Hz和112 Hz对应着船体结构的固有频率，如图8（b）所示。其中，最大响应出现在叶频处，因为在此频率下螺旋桨激振力幅值最大，且接近船体的固有频率35 Hz。同时可以发现在船体固有频率附近，螺旋桨激振力所引起的结构振动响应都较为显著。

图8 三个方向力作用下的船体均方振速Fig.8 Quad velocity of ship hull by three forces

2 舰船水下辐射噪声数值计算

2.1 船体边界元模型

本文将通过有限元方法得到的船体外表面在各个螺旋桨激振力作用下的位移响应导入到边界元声学软件SYSNOISE中，作为舰船水下辐射噪声计算模型的速度边界条件，并施加于从ANSYS软件中导出的船体外表面上，从而建立水下辐射噪声计算的边界元模型，图9即为船舶水下辐射噪声计算的边界元模型。

图9 船舶水下辐射噪声计算的边界元模型Fig.9 BEM model for calculation of ship underwater radiated noise

2.2 船体水下辐射噪声分析

我们将通过有限元方法得到的船体表面的单元节点坐标和节点振动位移数据导入到边界元软件SYSNOISE中，组成声学边界元模型，对轴向、横向、垂向三个方向分别和同时加载到舰艇结构上这四种工况进行了水下辐射噪声的计算分析，得到了四种工况下船体表面的辐射声功率，图10-13所示为螺旋桨激振力作用下船体外壳辐射声功率随频率的改变。

图10 轴向激振力引起的船体外壳辐射声功率Fig.10 Radiant noise power of ship hull by shaft force

图11 横向激振力引起的船体外壳辐射声功率Fig.11 Radiant noise power of ship hull by transverse force

由图10可以看出，船体在轴向螺旋桨激振力作用下，辐射声功率在轴频、叶频、二倍叶频、三倍叶频和85 Hz处出现线谱，它们对应着船体均方振速的线谱，如图5（a）所示。最大辐射声功率出现在轴频，而不是激振力最大的叶频，主要是因为轴频接近船体固有频率，而叶频不在船体固有频率附近，如图5（b）所示。

由图11可以看出，船体结构在横向螺旋桨激振力作用下，船体的辐射声功率在叶频、二倍叶频、22 Hz和112 Hz处出现线谱，说明此处辐射噪声较强烈，它们对应着船体均方振速的线谱，如图6（a）所示；最大辐射声功率出现在叶频，主要因为叶频时螺旋桨激振力最大，且船体在叶频处出现固有频率产生共振。

图12 垂向激振力引起的船体外壳辐射声功率Fig.12 Radiant noise power of ship hull by shaft Force

图13 三个方向激振力引起的船体外壳辐射声功率Fig.13 Radiant noise power of ship hull by three forces

由图12可以看出，船体在垂向螺旋桨激振力作用下，辐射声功率在叶频、二倍叶频、三倍叶频、11 Hz和85 Hz处出现线谱，它们对应着船体均方振速的线谱，如图7（a）所示，最大辐射声功率出现在叶频。

由图13可以看出，船体在三个方向螺旋桨激振力同时作用下，辐射声功率在轴频、叶频、二倍叶频、22 Hz、85 Hz和112 Hz处出现线谱，它们对应着船体均方振速的线谱，如图8（a）所示，最大辐射声功率出现在叶频，这主要因为螺旋桨激振力在叶频处最大，同时叶频时船体横向存在固有频率。

3 结语

本文利用FEM+BEM方法，研究了在螺旋桨激振力作用下，船体的机构振动以及水下声辐射特性。文中通过有限元方法得到了相应激励下船体外壳的振动位移响应，作为边界条件，并将船体外壳在ANSYS中的网格数据导入SYSNOISE中，构建边界元模型，计算船体水下声辐射。上述工作有如下结论：

（1）使用的流固耦合系统可以有效地模拟船体在螺旋桨激振力作用下的振动响应，得到船体在螺旋桨激振力线谱和船体固有频率处振动响应较为强烈。

（2）通过FEM/BEM方法，有效地研究了螺旋桨激振力作用下的船体水下辐射噪声特性，得到船体水下辐射噪声的辐射声功率、噪声场辐射声压等声学参数，可以有效地分辨几个方向螺旋桨激振力对船体水下辐射噪声的影响。

（3）三个方向激振力同时作用时船体最大辐射声功率出现在叶频处，最大值为67 dB，由横向力引起；其次是轴频处，值为55 dB，由轴向力引起；分析其原因主要是横向激振力在叶频时最大，而且与船体固有频率接近产生共振。

综上可以看到，螺旋桨激振力引起的船体振动及水下辐射噪声主要受激振力特性和船体固有频率影响。横向力所激起的振动及水下辐射噪声最大，而不是人们想象中的轴向最大的原因是结构横向模态接近激振力叶频。所以适当改进船体结构，使其固有频率远离螺旋桨激振力线谱频率，可以有效降低螺旋桨激振力引起的水下辐射噪声。

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更正

2015年第1-2期第134页“海洋动态缆缓S型布置及参数灵敏度分析”一文中的作者原为“卢青针（1983-），男，讲师”，现更正为“卢青针（1983-），女，讲师”。

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，博士生导师。