船舶中频段噪声预报数值算法研究

Low noise level is one of the important objects for modern ship building industry. The release of the new “Registration rules of ship noise” on the first day of July 2014 has improved the importance of noise control to an unprecedented level. However, it hasn’t been well solved for accurate simulating of mid-frequency acoustic problem (around 200 Hz - 500 Hz), which is the last unsolved part for whole domain frequency analysis and is delaying the noise control progress of ship structures. Based on the in-depth study on the fundamental reasons causing numerical errors, this project is aiming to develop a new model of meshfree smoothed point interpolation method for accurate simulation of mid-frequency acoustic problems. Three types of techniques are very crucial and would be paid more attention in the process. The first one is to study the influence on dispersion error from softening stiffness and the matching between it and modified mass system. The second one is about the selection of radial basis functions and the optimization of parameters of radial point interpolation for accurate interpolation purpose. The third one is to improve the efficiency of the method and to make it competent for practical engineering analysis. And finally the proposed method will be validated through both numerical way and experimental test. The successful implementation of this project will generate a reliable numerical method for the accurate prediction of ship noise, which is crucial for developing key technologies with independent intellectual property rights and, to a certain extent, improving our country’s shipbuilding industry on the ability of independent research and development.

优良的低噪声水平是现代船舶工业设计制造的重要目标之一，而2014年7月1日起正式生效执行的《船上噪声登记规则》更是将船舶噪声控制提到了前所未有的高度。作为全频域噪声分析中缺失的一环，中频段噪声（约200 Hz-500 Hz）的精确数值模拟一直未得到很好解决，成为制约船舶噪声控制的瓶颈。针对数值误差产生的根本原因，项目拟基于无网格光滑点插值法开发新型高效的数值计算方法，实现船舶中频段噪声的精确数值模拟。主要研究通过适度软化模型刚度以及匹配修正质量来有效抑制数值色散误差，通过高精度径向基点插值法的基函数和参数优化减小插值误差，以及方法的高效性和实用性这三项关键技术，并通过数值及试验两种手段验证所开发方法。本项目的完成将为船舶噪声预报提供可靠的数值手段，通过打造具有自主知识产权的核心设计技术，一定程度上提升我国船舶制造业的自主研发能力。

优良的低噪声水平和声隐身性能是现代船舶的重要性能指标，项目针对振动噪声计算中著名的“中频段”问题展开技术攻关。项目基于负责人开发的无网格光滑点插值法，针对数值误差产生的本质原因，从抑制色散误差和减小插值误差两方面来全面提高中频段噪声计算精度。通过研究新型点基局部梯度/单元基光滑技术更好地软化过硬的数值离散模型刚度，改进质量阵实现刚度阵与质量阵平衡这两种措施来抑制色散误差；通过采用高精度径向基函数并优化基函数参数来减少插值误差；通过采用非机构化网格和方法优化来提高计算效率。和传统方法相比，项目提出的新型光滑点插值法计算中频段噪声的结果误差大幅度下降，将开发方法应用于实际船舶发动机舱室内声场模拟问题，取得了良好的效果。在完成原定研究目标基础上，项目基于开发的方法，额外开展了声固耦合分析和水下结构声辐射问题的研究，也取得了很好的结果。通过解决“中频段”这一关键问题，为船舶设计中噪声预报和控制提供了可靠的算法基础，使得进行全频域振动声学计算成为可能。. 项目开展期间，发表学术论文、进行学术交流与人才培养，超额实现预期量化成果。发表项目标注的期刊论文32篇，其中SCI索引论文22篇，EI索引论文10篇，32篇标注论文中有23篇本项目是第一标注，其中发表在计算力学顶级期刊International Journal for Numerical Methods in Engineering上的论文A cell-based smoothed radial point interpolation method with virtual nodes for three-dimensional mid-frequency acoustic problems被选为当期封面文章。参加国内国际会议20余次，发表会议论文30余篇；获得软件著作权2项，培养博士研究生1名，硕士研究生10名。先后获海洋工程科学技术奖二等奖（2017，排名1）、高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖（2017，排名5）、国际华人计算力学协会研究员奖（2018）和国际计算方法会议青年学者奖（2018），并于2019年牵头“船舶与海洋工程水动力”团队获批辽宁省“兴辽英才计划”高水平创新创业团队。