一种考虑流固耦合的船舶螺旋桨噪声预报方法技术

本发明专利技术涉及船舶噪声预报方法技术领域，具体地说是一种考虑流固耦合的船舶螺旋桨噪声预报方法，其特征在于该噪声预报方法步骤如下：一、根据船体设计图、型线图、螺旋桨型值表建立螺旋桨模型和船体外形模型置模型；二、合并螺旋桨模型和船体外形模型，并进行非流固耦合瞬态流场计算；三、对船体结构模型进行网格划分、材料属性的赋予和边界条件的设置；四、船体、螺旋桨流固耦合瞬态结构计算；五、考虑流固耦合情况下的噪声预报，采用上述噪声预报方法，具有方法简单、噪声预报误差小、噪声预报效果高等优点。

A prediction method of ship propeller noise considering fluid structure coupling

【技术实现步骤摘要】
一种考虑流固耦合的船舶螺旋桨噪声预报方法
本专利技术涉及船舶噪声预报方法
，具体地说是一种方法简单、噪声预报误差小、噪声预报效果高的考虑流固耦合的船舶螺旋桨噪声预报方法。
技术介绍
众所周知，由设备振动引起的机械噪声作为船舶振动噪声的主要来源，严重制约了船舶安静化及舒适性目标的实现，一直以来是船舶振动噪声控制的重点。船用螺旋桨在工作时收到的脉动力经由轴系传递至船体，加剧了船舶主机机舱的振动，严重降低了船舶的舒适性。除此以外，对于高航速船舶，激流作用在船体板上会产生低频振动，对于船体的安全性和舱室的安静性有一定的影响。目前对于船舶低频噪声预报方法是，通过建立各船体主要结构船体板的有限元模型并在船体板连接处施加相应的约束边界条件，在主要激励点既主机基座上施加单位激励，从而考察全船主要监测点处的振动响应。这种单纯考虑主机激励的噪声预报方法与船舶实际工作产生的噪声相距甚远。中外研究表明，螺旋桨通过轴系传递至船体的非定常脉动力是导致主机舱室低频振动噪声的一个重要原因；除此之外，随着航速提升激流作用越专利技术显，船首舱室会在非定常力作用下产生振动。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种方法简单、噪声预报误差小、噪声预报效果高的考虑流固耦合的船舶螺旋桨噪声预报方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种考虑流固耦合的船舶螺旋桨噪声预报方法，其特征在于该噪声预报方法步骤如下：一、根据船体设计图、型线图、螺旋桨型值表建立螺旋桨模型和船体外形模型置模型；二、合并螺旋桨模型和船体外形模型，并进行非流固耦合瞬态流场计算；三、对船体结构模型进行网格划分、材料属性的赋予和边界条件的设置；四、船体、螺旋桨流固耦合瞬态结构计算；五、考虑流固耦合情况下的噪声预报。进一步，上述所述的步骤一中，螺旋桨模型根据型值表建立桨叶模型，并根据螺旋桨加工工艺图、轴系图建立桨毂和轴系模型。进一步，上述所述的步骤二中，将步骤一种建立好的螺旋桨模型和船体外形模型置于足够大的敞水数值水池中，并进行网格划分。其中在螺旋桨外为划分包裹其的小圆柱体，以模拟旋转流场。设置敞水数值水池的进流速度和螺旋桨的不同转速，根据船舶的阻力系数确定网格、模型、水池设置的合理性，并进行瞬态流场的计算。进一步，上述所述的步骤三中，船体结构模型在大型通用非线性有限元程序ANSYSWorkbench平台中建立，其中船底板、舷侧板、甲板板、舱壁板以及上层建筑板采用四节点壳体单元模拟，加强筋采用梁单元模拟。模型单元划分原则按照振动传播波传递的性质进行划分，局部过渡区域采用精细化网格进行过渡，设置船体设计水线以下部分为流固耦合面，在进行求解计算所需要的输入信息为步骤二中非流固耦合计算得到的船体和螺旋桨表面压力变化。进一步，上述所述的步骤四中，在进行船体、螺旋桨流固耦合瞬态结构计算中将船体设计水线以下部分的压力作为输入量，进行瞬态结构计算，可以获得船体设计水线以下部分收到流场压力产生的变化，尤其是螺旋桨桨叶在高速旋转下产生的振动，导出螺旋桨桨叶在振动时产生的网格位移。进一步，上述所述的步骤五中，根据步骤二中流程的速度和压力信息和步骤四中螺旋桨桨叶在振动时产生的网格位移输入ACTRAN软件中进行噪声计算，得到在特征点处的噪声频谱曲线。进一步，上述所述的特征点为处于设计水线以下深度同螺旋桨深度，船右侧，距离螺旋桨1m处。本专利技术由于采用上述噪声预报方法，具有方法简单、噪声预报误差小、噪声预报效果高等优点。附图说明图1是本专利技术螺旋桨转速400RPM的噪声预报值与测量值关系图谱。图2是本专利技术螺旋桨转速500RPM的噪声预报值与测量值关系图谱。图3是本专利技术螺旋桨转速600RPM的噪声预报值与测量值关系图谱。具体实施方式下面结合附图和实例，对本专利技术进行进一步说明。为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术取一钢制内河船为例进行说明。钢船为按照钢质船建造规范设计的横骨架式船体结构，钢船及其螺旋桨的主尺度如表1所示。一、根据船体设计图、型线图、螺旋桨型值表建立螺旋桨模型和船体外形模型置模型；表1主要参数表螺旋桨模型根据型值表建立桨叶模型，并根据螺旋桨加工工艺图、轴系图建立桨毂和轴系模型。根据型线图建立船体外形轮廓，建立船体外形模型钢船为横骨架式，船体结构建模时主要考虑了船底部及舷侧板架、甲板板架、舱壁板架、上层建筑板架、船体基座等主要结构部件；二、合并螺旋桨模型和船体外形模型，并进行非流固耦合瞬态流场计算；将螺旋桨模型和船体外形模型置于足够大的敞水数值水池中，并进行网格划分。其中在螺旋桨外为划分包裹其的小圆柱体，以模拟旋转流场。设置敞水数值水池的进流速度和螺旋桨的不同转速，根据船舶的阻力系数确定网格、模型、水池设置的合理性，并进行瞬态流场的计算。选取船体设计水线以下部分为研究对象，研究流场大小为船首向前2L、船后3L、深度和船两侧2.5L。进流边界设置为进流速度10节、出口边界设置为压力出口0Pa、底部为壁面边界条件、两侧为对称边界条件、上方为开放边界条件。为了模拟螺旋桨旋转，在螺旋桨为划分包裹螺旋桨在内的小圆柱体，圆柱体直径为2.5D，高度略大于螺旋桨径向长度。设置划分出来的小圆柱体沿着其径向旋转，转速为400、500、600RPM。根据上述数值进行瞬态流场计算可获得流场的速度和压力信息、船体和螺旋桨表面压力变化；三、对船体结构模型进行网格划分、材料属性的赋予和边界条件的设置；船体结构模型在大型通用非线性有限元程序ANSYSWorkbench平台中建立，其中船底板、舷侧板、甲板板、舱壁板以及上层建筑板采用四节点壳体单元模拟，加强筋采用梁单元模拟。模型单元划分原则按照振动传播波传递的性质进行划分，其中结构单元总体尺寸为62.5mm，局部过渡区域采用精细化网格进行过渡，保证网格划分精度。模型一共划分38659个节点，45440个单元。根据实际建模过程，计算模型的X方向为沿船体纵向，Y方向为沿船体横向，Z方向为沿船体垂向。船体结构各部分材料属性如下：材料弹性模量E=207GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3，船底板厚度δ=8mm，甲板板厚度δ=6mm。设置船体设计水线以下部分（包括舷侧板、船底板和螺旋桨）为流固耦合面，在进行求解计算所需要的输入信息为上一步非流固耦合计算得到的船体和螺旋桨表面压力变化；四、船体、螺旋桨流固耦合瞬态结构计算；在进行船体、螺旋桨流固耦合瞬态结构计算中将船体设计水线以下部分的压力作为输入量，进行瞬态结构计算。可以获得船体设计水线以下部分收到流场压力产生的变化，尤其是螺旋桨桨叶在高速旋转下产生的振动，导出螺旋桨桨叶在振动时产生的网格位移。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑流固耦合的船舶螺旋桨噪声预报方法，其特征在于该噪声预报方法步骤如下：/n一、根据船体设计图、型线图、螺旋桨型值表建立螺旋桨模型和船体外形模型置模型；/n二、合并螺旋桨模型和船体外形模型，并进行非流固耦合瞬态流场计算；/n三、对船体结构模型进行网格划分、材料属性的赋予和边界条件的设置；/n四、船体、螺旋桨流固耦合瞬态结构计算；/n五、考虑流固耦合情况下的噪声预报。/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑流固耦合的船舶螺旋桨噪声预报方法，其特征在于该噪声预报方法步骤如下：
一、根据船体设计图、型线图、螺旋桨型值表建立螺旋桨模型和船体外形模型置模型；
二、合并螺旋桨模型和船体外形模型，并进行非流固耦合瞬态流场计算；
三、对船体结构模型进行网格划分、材料属性的赋予和边界条件的设置；
四、船体、螺旋桨流固耦合瞬态结构计算；
五、考虑流固耦合情况下的噪声预报。


2.根据权利要求1所述的一种考虑流固耦合的船舶螺旋桨噪声预报方法，其特征在于所述的步骤一中，螺旋桨模型根据型值表建立桨叶模型，并根据螺旋桨加工工艺图、轴系图建立桨毂和轴系模型。


3.根据权利要求1所述的一种考虑流固耦合的船舶螺旋桨噪声预报方法，其特征在于所述的步骤二中，将步骤一种建立好的螺旋桨模型和船体外形模型置于足够大的敞水数值水池中，并进行网格划分，其中在螺旋桨外为划分包裹其的小圆柱体，以模拟旋转流场，设置敞水数值水池的进流速度和螺旋桨的不同转速，根据船舶的阻力系数确定网格、模型、水池设置的合理性，并进行瞬态流场的计算，可获得流场的速度和压力信息、船体和螺旋桨表面压力变化。


4.根据权利要求1所述的一种考虑流固耦合的船舶螺旋桨噪声预报方法，其特征在于所述的步骤三中，船体结...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜仁威，王仁智，于昌利，谭军波，郭志慧，
申请(专利权)人：威海中复西港船艇有限公司，哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东;37