海洋平台结构宽频线谱振动噪声快速预报方法与流程

本发明涉及一种海洋平台结构噪声预报方法，特别是一种海洋平台结构宽频线谱振动噪声快速预报方法。

背景技术：

现有海洋平台结构宽频线谱振动噪声预报流程多是基于模态叠加理论在频域内进行分析的，该类方法具有分析直观等优点。但目前该方法应用于海洋平台结构振动噪声预报仍存在如下不足：

(1)现有海洋平台结构振动噪声预报主要基于线性迭加原理得到，计算中忽略了诸多非线性因素的影响，如海洋平台结构水下振动及声辐射中的材料非线性、结构非线性、运动非线性等因素的影响，而该非线性影响可能对海洋平台结构振动噪声预报产生影响。

(2)由于现有海洋平台结构振动噪声预报将设备激励载荷变换为频谱载荷时忽略了设备激励载荷的相位信息，忽略了设备不同频率激励载荷的相互影响，故该方法无法考虑结构低频振动与高频振动的耦合效应；

(3)现有海洋平台结构振动噪声预报主要基于模态叠加原理在频域内求解，故其计算规模通常较大，计算频带较窄，单次计算仅能得到模型单一频点的声场分布，完成频段内结构声学的预报通常需进行多次分析，故其求解效率较为低下；并可能因计算步长选取不当而导致共振峰遗漏，出现所谓的“漏峰”现象，导致计算结果出现较大误差。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种考虑海洋平台结构非线性，计及结构低频振动与高频波动耦合效应影响，具有较高求解效率及预报精度的海洋平台结构宽频线谱振动噪声快速预报方法。

为解决上述技术问题，本发明一种海洋平台结构宽频线谱振动噪声快速预报方法，包括以下步骤：

步骤1：通过实船测试或台架试验确定海洋平台设备线谱载荷，对于频域线谱载荷，进行fft(傅里叶)逆变换，将频域线谱载荷变换成时域线谱载荷，对于时域线谱载荷，不需进行处理；

步骤2：基于有限元法建立海洋平台结构振动噪声截断预报模型；

步骤3：确定海洋平台结构振动噪声时域预报的时间步长δt；

步骤4：确定海洋平台结构振动噪声时域预报的数据采样时间间隔δt'；

步骤5：确定海洋平台结构振动噪声时域预报的计算时间tt；

步骤6：通过有限元软件，将步骤3、4和5所确定的设置参数：时间步长δt、数据采样时间间隔δt'和计算时间tt输入到步骤2中建立的海洋平台结构振动噪声截断预报模型中，计算得到海洋平台结构振动噪声时域预报结果；

步骤7：对海洋平台结构振动噪声时域预报结果进行fft变换，得到海洋平台结构频域预报结果，即宽频线谱振动噪声响应。

作为本发明的进一步优化，本发明一种海洋平台结构宽频线谱振动噪声快速预报方法还包括：

1.步骤2中海洋平台结构振动噪声预报模型为简化模型，简化包括海洋平台结构的简化，设备、轴系结构的简化，模型几何清理和流场模型的简化。

2.步骤2中海洋平台结构的简化包括：对基座结构采用梁、板壳简化；对舱壁、甲板、船体板架采用梁、板壳简化；对船体外板采用梁、板壳结构简化；

设备、轴系结构的简化包括：对于小尺度设备，以质量点的形式加载到设备基座位置；对于大尺度设备采用等刚度、等质量简化模型，并将简化模型建立在大尺度设备基座处；对于轴系以等质量、等刚度的梁或壳单元进行简化；

模型几何清理包括：对于柔性构件，如螺栓、小型肘板、短小型扶强材、刚度小的构件在建模过程中予以忽略；对于平台结构中的最大尺寸小于0.5m的减轻孔、突出构件予以忽略；

流场模型的简化包括：将海洋平台流场模型分为内流场和外流场，采用实体单元对内流场进行简化；对于外流场按公式(1)进行尺度截断，并在截断处施加无反射边界条件或敷设无限元：

rf≥max(d/2+0.2λ,2d)(1)

式中rf为外流场最大半径，d为平台结构的最大直径；λ为最小预报频率对应的声波波长。

3.步骤3中所述时间步长δt满足：

式中δx为有限元的最小尺寸，cmax为有限元介质的最大波速，α为经验系数，其数值在0～1范围内，通过试错法选取经验系数。

4.步骤4中所述数据采样时间间隔δt'与系统响应分析频率上限fc满足以下关系：

5.步骤5所述时域预报的计算时间tt满足：

其中，δf为频域响应数据的频率分辨率。

本发明有益效果：本发明针对现有海洋平台结构噪声预报存在计算规模大、预报频带宽、无法计及海洋平台结构非线性、结构低频振动与高频波动耦合效应等问题，基于波动理论，提出海洋平台结构振动噪声时域预报的宽频线谱振动噪声预报方法，解决现有海洋平台结构振动噪声预报无法考虑海洋平台结构非线性、结构低频振动与高频波动耦合效应等因素的影响，解决预报效率、预报精度低下的弊端，避免海洋平台结构振动噪声预报中的“漏峰”现象，旨在为海洋平台结构振动噪声预报提供方法依据。

附图说明

图1为海洋平台结构宽频线谱振动噪声快速预报方法流程图；

图2为海洋平台时域激励载荷曲线图；

图3(a)为海洋结构及流场模型图主视图；

图3(b)为海洋结构及流场模型图侧视图；

图4为海洋平台加载点及考核点示意图；

图5为海洋平台1#考核点振动加速度传递函数图；

图6为海洋平台2#考核点声辐射传递函数图。

具体实施方式

下面将结合附图,对本发明实施例中的技术方案进行具体描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

如图1所示：本发明提供了一种海洋平台结构宽频线谱振动噪声快速预报方法，其步骤如下：

步骤1、确定海洋平台结构噪声预报模型输入载荷，当已得到设备基座处的时域激励载荷，则无需对载荷进行变换，当已得到设备基座处的频域激励载荷，则需对该频域载荷进行fft逆变换，将频域载荷转换为时域载荷。本例中采用宽频带白噪声(主要成分为5-400hz)激励，其时域激励载荷曲线如图2所示。

步骤2、基于有限元法建立海洋平台结构振动噪声截断预报模型，对预报模型进行合理简化。本例中构建海洋简化模型，其结构及流场模型如图3所示，图3中，a为平台上层建筑；b为平台内部舱室；c为平台基座；d为平台主甲板；e为平台立柱；f为平台浮筒；g为外流场并将激励垂直施加在海洋平台基座上，加载位置及考核点如图4所示，图4中1#为流场内考核点；2#为海洋平台结构内考核点；a为激励加载点。

步骤3、确定海洋平台结构振动噪声时域预报的时间步长δt，δt按下式确定：

式中δx为有限元的最小尺寸，cmax为有限元介质的最大波速。α为经验系数，其数值大小在0～1范围内，通过试错法选取合适的经验系数即可求得所需的时间步长δt，本例中时间步长为2s。

步骤4、确定海洋平台结构振动噪声时域预报的数据时间间隔δt'，时域数据采样时间间隔δt'与系统响应分析频率上限fc应满足以下关系。

本例中海洋平台有效分析频率上限fc＝300hz，δt'取0.001。

步骤5、确定海洋平台结构振动噪声时域预报的计算时间tt。为使频域响应数据的频率分辨率δf满足结构振动噪声响应预报精度的要求，根据下式选择合适的时域预报计算时间tt：

本例中tt＝2s。

步骤6、提取海洋平台考核点时域预报结果，并进行fft变换，得到海洋平台结构振动噪声频域响应，即宽频线谱振动噪声响应，海洋平台模型典型考核部位时域预报结果如图5-图6所示。

本发明具体实施方式还包括：

海洋平台结构宽频线谱振动噪声快速预报方法，包括步骤如下：

步骤1、海洋平台结构振动噪声时域预报的效率及计算精度严重依赖预报频率及时域载荷的采样频率，因此，时域载荷的确定是时域预报的输入条件，其确定方法如下：

基于实船测试或台架试验等获得海洋平台设备线谱载荷，对于设备频域线谱载荷，首先要进行fft逆变换，将设备频域线谱载荷转换成时域线谱载荷；对于设备时域线谱载荷，则无需进行其它处理，可直接加载到对于基座位置进行计算。

步骤2、根据图纸资料，基于有限元法建立海洋平台结构振动噪声截断预报模型。海洋平台结构振动噪声预报模型的建立对其分析频段内时域预报结果有较大影响，对预报模型进行合理简化，以提高海洋平台结构噪声预报的精度及效率。海洋平台模型简化主要包括：(a)海洋平台结构的简化：对于基座结构，保障其阻抗一致，采用梁、板壳等简化；对于舱壁、甲板、船体板架等，保障计算频带结构阻抗一致，采用梁、板壳等简化；对于船体外板，保障其形状、阻抗与实船的一致，采用梁、板壳等结构进行简化；对于其它结构，视其对海洋平台结构振动噪声的影响，保障平台振动噪声特性对其进行合理简化。(b)设备、轴系等结构的简化，对于小尺度设备质量点的形式加载到设备基座位置；对于大尺度设备则考虑等刚度、等质量简化模型，并将该简化模型建立在大尺度设备基座处；对于轴系，则以等质量、等刚度的梁或壳单元进行简化。(c)模型几何清理：对于强度贡献较小的柔性构件，如螺栓、小型肘板、短小型扶强材、刚度较小构件等在建模过程中予以忽略；平台结构中的减轻孔、突出构件等尺寸较小的结构(d<0.5m)予以忽略。(d)流场模型的简化：将海洋平台流场模型分为内流场和外流场，对于内流场需保障流固耦合、声固耦合特性，采用实体单元对液舱等内流场进行简化；对于外流场按下式进行尺度截断，并在截断处施加无反射边界条件或敷设无限元。

rf≥max(d/2+0.2λ,2d)

式中d为平台结构的最大直径；λ为最小预报频率对应的声波波长。

步骤3、确定海洋平台结构振动噪声时域预报的时间步长δt，合理的时间步长δt应略小于稳定时间步长，因海洋平台数值模型的有限单元较为复杂，在时域预报模拟中时间步长δt常按下式确定：

式中δx为有限元的最小尺寸，cmax为有限元介质的最大波速。α为经验系数，其数值大小在0～1范围内，通过试错法选取合适的经验系数即可求得所需的时间步长δt。

步骤4、确定海洋平台结构振动噪声时域预报的时间间隔δt'，时域数据采样时间间隔δt'与系统响应分析频率上限fc应满足以下关系。

当满足以上条件时，将得到的时域预报结果通过fft变换得到频域的振动噪声响应结果。

步骤5、确定海洋平台结构振动噪声时域预报的计算时间tt。时域响应数据选取应使系统进入稳态响应阶段，对于较为复杂的海洋平台宽频线谱振动噪声响应分析，一般不考虑较低频率(f≤20hz)激励成分对系统振动噪声响应的影响，对应频率的激励载荷周期t＝1/f也一般较小。海洋平台时域响应经fft变换得到其频域响应，为使频域响应的频率分辨率δf满足结构振动噪声预报精度的要求，可根据下式选择合适的时域预报计算时间tt：

式中δf为预报频率分辨率，tt为预报时间。因此，为满足结构振动噪声响应分析精度，需控制时域预报的计算时间tt，以达到振动响应预报精度的要求。

步骤6、根据步骤1至步骤5确定的各项参数，基于有限元软件，将其输入到建立的有限元分析模型中，计算得到海洋平台结构振动噪声时域预报结果，对海洋平台结构振动噪声时域预报结果进行fft变换，得到海洋平台结构频域预报结果，即宽频线谱振动噪声响应。

本发明提供了一种海洋平台结构宽频线谱振动噪声快速预报方法，可通过单次分析快速得到海洋平台结构宽频线谱振动噪声响应。首先基于实船或台架试验数据等获得海洋平台设备线谱载荷；其次，基于图纸资料及有限元法，建立海洋平台结构时域分析有限元模型，将海洋平台设备基座时域振动信号a作为输入，通过合理控制时间增量步长δt及模型计算时间tt，开展海洋平台结构宽频振动噪声响应时域仿真计算，得到海洋平台典型结构时域响应x(t)，对该响应曲线稳态响应进行傅里叶变换(fft)变换，得到海洋平台结构频域响应，即宽频线谱振动噪声响应，通过将该线谱振动噪声响应与设计标准对比即可实现海洋平台结构宽频线谱振动噪声响应的快速预报、评估。该方法具有线谱捕捉能力强、计算效率高，可考虑多源耦合效应、结构非线性、结构频散效应影响等优点，并可有效避免传统频域预报评估出现的“峰值遗漏”等现象，可广泛应用于复杂激励载荷下海洋平台结构宽频线谱振动噪声的快速预报、评估。