船舶浮动舱室振动和声学性能研究

摘要

船舶舱室振动影响到设备的可靠性、结构的安全性及人员的舒适性，致使船舶舱室振声环境计算与减振降噪越来越引起船舶行业的关注。国际标准化组织(ISO)制定的《商船振动综合评估指南》不断修改升级，国际海事组织(IMO)通过更严格的《船上噪声等级规则》，这对船舶舱室振动噪声（NV）控制水平提出新的挑战。为有效履约，中国船级社给出相应的指导性文件，论文将《船上振动控制指南》中船舶舱室结构振动与《船舶及产品噪声控制与检测指南》中船舶浮动舱室及其浮动地板结构减振降噪性能联系起来，将技术研究与标准研究有机结合，基于数值计算方法和物理模型实验，针对船舶浮动舱室结构振动和噪声问题开展研究，具体分四个方面:
　　针对船舶组合式浮动地板结构动力学特性及其参数影响规律研究。应用复合材料线弹性层合理论，基于Kirchhoff-Love板理论建立浮动地板面层动力学模型，基于Mindlin-Reissner板理论建立浮动地板芯层动力学模型，构建船舶浮动地板结构动力学模型，描述船舶浮动地板结构的动态响应及其参数影响规律。以实船副机舱第二甲板层为实验平台，采用组合式浮动地板进行实船测试，分析不同结构形式的组合式浮动地板减振性能，找出能够降低问题频率峰值响应的潜在的特性参数和需要改进的结构，分析表明:船舶发电柴油机不平衡力矩等激励引起的甲板局部振动得到有效抑制。
　　针对船舶浮动地板模型振声性能数值计算和实验验证开展研究。以典型船舶浮动地板为目标，基于物理模型开展船舶浮动地板模型振声性能研究实验，建立了浮动地板模型振动和声辐射测试系统，研究实验室模拟载荷输出特征和结构的动态响应特性，分别测试加速度频率响应和辐射声压级，分析浮动地板结构岩棉芯层厚度与结构振声性能之间的关系，通过分析实验误差说明实验结果的可靠性，验证数值仿真方法的有效性。本方法对浮动舱室板件结构动力学性能及声辐射计算提供有效的方法。
　　针对激励边界条件计及液固耦合作用对船舶舱室振声环境影响开展研究。首先将船舶机舱制淡水舱简化为钢质液箱，并进行流固耦合数值计算，采用LMS结构模态分析系统进行实验，在分析和研究船舶液舱结构振动特征的基础上，将船舶舱室结构-声耦合系统简化为箱形多腔结构，建立舱室类模型多腔结构及其单元腔室数值计算模型，并进行结构振动与声辐射实验，分析计及液固耦合作用的激励源对结构动力学响应和辐射声场之间传递关系，重点从液舱布置与充液高度及敷设阻尼敷层两方面进行研究，综合评估舱室类简化结构振动与声辐射特性。
　　针对实际船舶浮动舱室结构-声耦合数值计算开展研究。运用APDL语言开发参数化计算模块程序，将参数化设计与有限元分析相结合，实现船舶浮动舱室三维参数化建模并完成有限元分析。采用边界元法(BEM)预测了机舱工作间声压级，对比分析改造前后舱室场点声压级频域响应结果，验证敷设浮动地板结构对机舱工作间振声环境影响。针对船员工作场所振声要求等级最高的集控室，考虑控制台及配电板薄壳结构影响，在值班轮机员控制台前坐立姿态下和配电板前站立姿态下对应头部位置高度各布置声学场点，对舱室整体噪声值进行预测，挑选出最明显峰值频率作为关注频率。结构表面声辐射的强度与结构振动模态有关，采用阻尼的办法抑制舱室板件结构优势模态，控制舱室壁板结构在关注频率处的振动能量，有效地降低舱室噪声水平。总结出船舶浮动舱室模型振声数值计算通用的方法及流程，对指导船舶舱室减振降噪有借鉴价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 船舶舱室板件振动问题研究进展

1．2．2 船舶舱室板件声学问题研究进展

1．2．3 船舶舱室结构阻尼减振问题研究进展

1．2．4 船舶舱室结构液固耦合问题研究进展

1．2．5 船舶舱室结构-声耦合问题研究进展

1．2．6 研究现状分析及存在的主要问题

1．3 本文的主要内容安排

第2章 船舶舱室板件振动问题的基本理论

2．1 引言

2．2 船舶舱室钢质壁板振动问题的基本理论

2．2．1 Kirchhoff-Love板基本方程

2．2．2 船舶舱室单层钢质壁板弯曲控制方程

2．2．3 船舶舱室单层钢质壁板弯曲基本方程

2．3 船舶舱室夹层板振动问题的基本理论

2．3．1 Mindlin-Reissner板基本方程

2．3．2 船舶舱室薄面板夹层板弯曲基本方程

2．3．3 船舶舱室厚面板夹层板弯曲基本方程

2．4 船舶舱室板件振动特性分析

2．4．1 船舶舱室夹层板弯曲方程三角级数解法

2．4．2 船舶舱室夹层板弯曲方程有限元解法

2．4．3 船舶舱室夹层板弯曲问题结果分析

2．5 本章小结

第3章 船舶浮动舱室板件振声性能数值计算与实验验证

3．1 引言

3．2 船舶舱室浮动地板的动力学性能

3．2．1 船舶舱室浮动地板组成及基本力学性能

3．2．2 船舶舱室浮动地板数值模型的建立

3．2．3 船舶舱室浮动地板动力学数值计算与实验验证

3．3 船舶浮动地板结构声辐射

3．3．1 结构声辐射基本理论

3．3．2 船舶浮动地板声辐射测试系统建立与实验

3．3．3 船舶浮动地板声辐射数值计算与实验结果分析

3．4 船舶浮动舱室隔声和吸声性能

3．4．1 岩棉夹层板的隔声和吸声性能

3．4．2 船舶浮动舱室的组成

3．4．3 船舶浮动舱室空气噪声估算

3．5 本章小结

第4章 船舶舱室简化模型液固耦合振声计算与阻尼减振实船验证

4．1 引言

4．2 船舶液舱结构-液体耦合振动分析

4．2．1 船舶液舱结构与液体耦合振动基本理论

4．2．2 船舶液舱结构与液体耦合振动数值模型与实验验证

4．2．3 船舶液舱结构与液体耦合振动结果分析

4．3 船舶舱室简化模型液固耦合振声计算

4．3．1 船舶舱室简化模型的建立

4．3．2 船舶舱室简化模型振声性能数值计算

4．3．3 不同液舱设置方案对舱室结构声辐射性能的影响分析

4．4 实船甲板平台阻尼减振实验测试与结果分析

4．4．1 船舶舱室板件敷设约束阻尼材料减振机理

4．4．2 船舶港内工况激励相关总成实船测量与结果分析

4．4．3 船舶舱室地板敷设阻尼敷层减振性能实验与结果分析

4．4．4 船舶舱室地板敷设浮动地板减振性能实验与结果分析

4．5 本章小结

第5章 船舶舱室结构-声耦合振声环境响应分析

5．1 引言

5．2 基于APDL语言开发船舶舱室动力学参数化计算模块

5．2．1 船舶舱室模型参数定义模块

5．2．2 船舶舱室模型物理特性定义及网格划分模块

5．2．3 船舶舱室模型总体布局优化通用模块

5．3 船舶机舱工作间改造前后声场分析

5．3．1 船舶机舱工作间声学计算模型的建立

5．3．2 船舶机舱工作间自噪声特性分析

5．3．3 船舶机舱工作间噪声实船测试与结果分析

5．4 船舶机舱集控室振动与声学响应分析

5．4．1 结构表面法向振动速度及辐射声场计算基本理论

5．4．2 船舶机舱集控室振声性能数值计算模型建立

5．4．3 船舶机舱集控室模态振型与场点声压级云图的对比分析

5．4．4 船舶机舱集控室板件声学贡献识别与阻尼降噪结果分析

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介