船舶振动及舱室噪声评价集成软件开发
摘要：
基于国际标准化组织（International Standard Organization， ISO）和国际海事组织（International Maritime Organization， IMO）关于船舶振动和噪声的评价标准，开发船舶振动及噪声一体化评估集成软件，给出船舶振动和噪声的评价方法和流程.实船振动和声学设计算例验证该软件评估结果的可靠性及评估过程的高效性.
关键词：
船舶； 舱室； 振动； 噪声； 舒适度； 评估； 软件开发
中图分类号： U662
文献标志码： B
Abstract：
According to the specific assessment standards about ship vibration and noise of the International Standardization Organization（ISO） and the International Maritime Organization（IMO）， an integrated assessment software of ship vibration and noise is developed， and the assessment method and flow are given. The example of an actual ship vibration and acoustic design verifies that the reliability of assessment results and the high efficiency of assessment process.
Key words：
ship； cabin； vibration； noise； comfort； evaluation； software development
0引言
中国船舶工业发展迅速，已成为全球重要的船舶设计与制造中心.减振降噪作为绿色船舶设计的重要技术，是船舶设计领域研究热点.对于船舶振动水平的评价，国际标准化组织（International Standard Organization， ISO）于1984年制定ISO 6954—1984振动评价标准，并于2000年更新补充ISO 6954—2000（E）舒适度等级评价标准.世界各主要船级社也都制定各自的船体振动评价标准，以适应所关注的海域及海况.对于船舶噪声水平的评价，国际海事组织（International Maritime Organization， IMO）和多国船级社制定共同标准，在此基础上各国根据自身对噪声环境的更高要求，对于船体不同位置噪声的声压级和舒适度等各有不同规定.[13]
船舶振动评价覆盖的频率范围较窄，一般局限于0～80 Hz.目前，对于船舶振动的数值评价，在低频域主要通过结构动力学有限元法进行计算，在中高频域主要通过混合法及统计能量法计算.计算或测量后，将所得各个评价部位的数据（船体振动的位移、速度或加速度）与所入船级社的相应振动评价标准比较，人工进行评价.这个过程计算量大，涉及船体评价位置多，对各位置振动衡准的理解易出现偏差.目前没有统一的自动化评估软件.[46]
对于船舶噪声的评价，分为舱室噪声评价和船体水下辐射噪声评价2类.对于船舶舱室噪声的数值模拟评价，目前多采用统计能量法；对于船体水下辐射噪声的数值评价，在低频域多采用声固耦合方法计算，在高频域采用统计能量法计算.噪声评估涉及频率范围较宽，覆盖16～20 000 Hz，评价过程复杂，要使用多个声学模型，加上舱室众多，具体评价过程繁琐且耗时.[78]
目前国内外没有对船舶振动与噪声统一测量或计算的结果，没有通过统一流程进行自动化船舶振动及噪声合格与否评价的软件，没有自动化报告生成软件.这已成为船舶减振降噪设计中的低效环节，因此开发船舶振动噪声集成化评估软件具有重要应用价值.本文基于IMO及世界各主要船级社对船舶振动和噪声的评价标准，开发船舶振动噪声评估集成软件.通过实船声学设计算例，验证该软件评估的可靠性和高效性，同时介绍船舶振动和噪声的评价流程和方法.[910]
1船舶振动与噪声评价标准
1.1主要国际组织和船级社船舶振动评价标准
世界主要船级社及IMO对于振动评价的标准大体上可以分为2类：第一类是通过分别评价每个频率、每个方向上的振动速度（或加速度）峰值，判断振动是否满足要求；第二类是将不同频率下的振动速度（或加速度）进行合成，判断合成的速度（或加速度）值是否满足要求.下面介绍主要的船舶振动评价标准.
1.1.1ISO的振动标准
ISO 6954—2000（E）是国际上通用的船舶振动评价标准，见表1.该标准是2000年12月发布的《机械振动——客船、商船振动适居性的测量、报告和评价准则》第二版的修订版，整个评价体系与原ISO 6954—1984版的评价方法相比发生较大变化.ISO 6954—2000（E）的评价参数是用1～80 Hz频率范围内1/3倍频程的速度或加速度的加权均方根总值来计算的.加速度（或速度）频率加权均方根 （Root Mean Square，RMS）的总值
2船舶振动噪声集成评价软件开发
2.1船舶振动评估软件开发思路
采用数值模拟方法进行船舶振动评估的流程主要为：（1）根据图纸建立整船结构振动有限元模型，结合以往型船测试数据对所建立的船体振动数值模型进行修正；（2）根据船舶主尺度、螺旋桨及主机参数，计算船舶主要振源大小，并施加于有限元模型相应位置；（3）根据技术规格书及评价标准要求，确定振动评价点位置，通过计算得到不同频率下评价点处的振动速度或加速度；（4）根据本船入级的船级社的振动规范进行评价，自动生成评价报告.
2.1.1软件结构设计
本软件主要有3部分组成：数据引擎部分、VTK三维视图部分以及后处理GUI部分.数据引擎部分为后处理提供数据管理的支撑，统一数据对象封装，并提供一致的数据类型封装，最后组合为一棵树，可涵盖绝大多数数据模型的管理.VTK三维视图部分是对GUI框架中视图框架的具体实现，为后处理提供数据可视化的基础，结合VTK的算法，可以很方便地实现各种可视化功能.后处理GUI部分负责具体实现后处理界面，并将各种功能有机组合成整体，并实现与GUI框架对接，从而成为整个软件平台的一部分.
2.1.2外部接口
本软件主要通过派生GUI框架的NCSGUI_Module和NCSGUI_DataModel等2个类与GUI框架对接，使得GUI框架可以将本软件加载到框架中并运作起来.此外，后处理中实现的VTK3DView视图通过对GUI框架中的视图框架接口的实现，从而与GUI框架对接，实现其在框架内的运作，并按照视图框架的规范被后处理使用.
2.1.3开发环境及开发语言
本模块使用Visual Studio 2008开发，开发采用的操作系统为Windows 7 Professional，采用C++高级语言进行编码.
2.1.4软件功能介绍
根据上述振动评价的步骤和有关标准，开发振动噪声集成评估软件振动评估模块，其功能有：（1）Patran有限元模型导入；（2）对模型整体统计，包括模型的节点数、单元数等；（3）读取Patran模态分析结果，并将结果绘制成云图反映到屏幕中；（4）读取Patran频响分析结果，将结果绘制成云图反映到屏幕中，且不同的大小用不同的颜色标出；（5）设置评价点并编号，为不同评价点设置相应的船级社振动评价；（6）根据不同船级社的规范进行船体振动评价；（7）软件自动生成评价报告.
2.1.5系统界面
运行船舶振动噪声集成评估系统，系统界面见图2.图2中：①为菜单栏，包括文件、编辑、视图、振动评估、声学评估、窗口、帮助；②为工具栏，包括文件操作工具栏（新建、打开、保存、关闭、后退、前进）、视图操作工具栏（自适应、正视图、侧视图、俯视图、屏幕截图）和VTK3D工具栏（显示标尺、编辑颜色、调整颜色渐变、数据图层、分量、绘图选项）；③为视图选项卡，包括数据浏览器、流程视图；④为VTK3D绘图窗口；⑤为任务设置窗口.
2.2振动评估模块功能介绍
2.2.1模态分析
点击菜单栏“振动评估”，在下拉菜单中选择“模态分析”，可启动模态分析计算流程，或使用快捷键“Crtl+m”.启动模态分析模块后，系统界面左边流程视图将启动流程向导，用户按照向导提示操作，完成模型导入、数据查看等任务，见图3.
流程功能如下.
（1）输入基本参数，见图4.在窗口右侧任务设置窗口中，输入计算参数或完成相关设定.在输入基本参数窗口中，用户需设定：船舶概况、船舶主尺寸、螺旋桨参数、大主机参数、主机参数、艏推进器参数.这些参数将用于计算和生成报告.
（2）振源激振频率和频率禁区设定.根据输入的船舶基本信息，评估系统会自动计算主螺旋桨叶频频率、螺旋桨倍叶频频率、主机1阶惯性频率的激振频率，推荐出频率禁区下限和上限频率.用户也可以点击这些频率数据，手动修改.点击下一步继续设定.
（3）导入模型，见图5.根据实际工况，选择导入模型的类型（压载、满载或设计吃水工况），并导入有限元模型文件.
2.3船舶噪声评估软件开发思路
在船舶噪声的评价过程中，由于不同舱室的声压级限值不同，评价时需要将不同舱室的声压输出后分别评价.对于豪华游轮等需评价舱室较多的船型，工作量大，数据处理费时费力.将噪声评价过程在软件中流程化实现，既可避免人工计算评价中由于人为原因导致的错误，又可以提升工作效率.
对于船舶舱室噪声的数值评估流程主要为：（1）根据图纸在VAOne软件中建立整船统计能量模型；（2）根据给定的振动噪声源激励，计算舱室噪声；（3）确定所需评价的舱室位置；（4）根据适当的噪声规范进行评价.基于这个思路开发舱室噪声评价软件.
2.3.1软件功能介绍
振动噪声集成评估软件中噪声评估模块具有如下功能：（1）VAOne统计能量模型导入；（2）读取各个声腔的声学计算结果；（3）将各舱室在不同频率下的声学计算结果绘制成频谱图；（4）根据不同船级社规范进行舱室噪声评价；（5）自动生成评价报告.
2.3.2声学评估模块功能
点击菜单栏“声学评估”下的“声学分析”菜单（见图12）或使用快捷键“Ctrl+a”，可启动舱室噪声分析，评估流程被启动.
（1）导入模型设定.导入需要的船舶舱室声腔模型文件，包括压载、满载、码头或设计吃水等工况.
（2）设置显示声腔.查看声腔及其对应的序号.在VTK3D窗口中，可以查看对应声腔的位置及对应的网格.
（3）导入结果.导入统计能量法舱室噪声计算结果文件.
（4）选取声腔.选取声腔绘制声压响应计算曲线（见图13），可以添加多个声腔.
2.4超大型油轮振动与噪声一体化评估示例
为验证软件可靠性与高效性，本文以某原油轮振动及噪声一体化评估为例进行验证，该油轮入级CSS，全船及舱室振动噪声应满足IMO《船上噪声等级规则》标准和中国船级社振动评价标准.具体评价结果见图16.
3结束语
目前，船舶振动与噪声评估是根据相关规范人工进行计算及评估，缺少相关评估软件，更无振动与噪声一体化自动集成评估软件.船舶振动噪声集成评估软件的成功开发，可解决船舶振动和噪声评估过程中繁琐、规范理解差异等诸多问题，为振动和噪声评估提供高效手段，避免人为因素导致噪声的评估不精确等弊端，是将振动与噪声评估由人工计算转向数字化、一体化自动评估的开端.本软件的优点如下.
（1）可以将结构振动全频段模型和声学数值模型无缝导入，不丢失模型的特性.
（2）可以根据不同船级社的规范进行评估，覆盖面广.
（3）评估计算与图像一体化实现，直观清晰.
（4）可以自动生成评估报告，简便快捷.
当然，本软件也存在一些缺点，如振动有限元计算结果数据量大，读取速度相对较慢，这些有待后续完善.软件开发是一个逐步创新，不断实践的过程；创新精神的实践也是一个不断完善，渐臻佳境的过程.船舶振动噪声集成评估软件的开发是一个将创新精神不断实践的结果.该软件的出现可弥补国内振动与噪声评估流程软件缺乏的不足，是振动与噪声评估由人工计算转为数字化、一体化评估的开端.本软件的出现会使得振动与噪声的评估更加方便、快捷、高效.
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（编辑武晓英）