0 引　言

随着全球气候变暖，极地冰川融化速度加快，北极和南极航线的开发对航运业和资源开采至关重要^[1]。近年来，我国在极地科考和破冰船领域取得了显著进展，但仍与发达国家有较大差距，重型破冰船是迈入科技强国、缩小与其他国家差距的重要装备^[2]。破冰船作为极地航行的重要工具，其在冰区航行过程中面临复杂的环境载荷，尤其是破冰过程中船体与冰层碰撞，产生剧烈冰致振动和冲击噪声^[3]。冰致振动噪声不仅影响船员的工作环境和舒适度，还会对船体结构产生疲劳破坏，缩短其使用寿命^[4]。另一方面，冰区环境中的剧烈温差变化也会对船体材料产生影响，加速船体疲劳^[5]。破冰过程中产生的噪声会通过空气和水介质传播，对周围的海洋生物产生负面影响^[6]。因此，研究破冰船的冲击振动噪声特性，尤其是分析其在破冰过程中的振动噪声传播规律具有重要意义。

相较于无冰区航行，破冰船在冰区作业时，船体结构会受到冰块的强烈冲击，产生显著的振动和噪声^[7-8]，其振动响应主要集中在低频段^[9]。这些振动和噪声不仅会影响船员的生活质量，还会通过空气和水体传播到外界环境，对海洋生态系统构成潜在威胁。水下噪声的传播特性使其在较远距离内仍具备相当强的能量^[10]，可能对海洋哺乳动物等生物造成干扰，尤其是在觅食、迁徙等行为中^[11]，破冰船的水下辐射噪声会对这些生物的导航系统造成负面影响^[12]。因此，研究破冰船的振动和噪声特性，提出有效的减振降噪措施，是重型破冰船设计与制造领域亟待解决的技术难题^[13]。

破冰冲击载荷具有机理复杂、强随机性和非线性等特点，难以将其简便、准确地施加到振动与噪声分析模型^[14]。为此，本文提出一种破冰冲击载荷数值平均简化方法，通过模型试验研究方式，分析破冰船在破冰过程中船体结构受到破冰冲击载荷下振动噪声响应，由于原破冰船尺度较大，考虑效率与可实现性，基于破冰船典型板架结构和缩比模型，验证了破冰冲击载荷数值平均简化方法的有效性。

1 试验原理 1.1 破冰冲击载荷简化方法

船舶破冰时振动噪声是一种复杂的多系统耦合问题，一般可分解为破冰冲击载荷求解与船舶振动噪声分析。船-冰动态碰撞过程是一种复杂的非线性动态接触问题，本文利用Ls-dyna软件数值模拟船-冰-水流固耦合过程，通过侵蚀接触算法，建立船-冰-水作用力学计算模型，数值模拟船-冰2种材料的碰撞过程。依据冰体的物理属性，建立冰体的弹性断裂失效模型，基于ALE（Arbitrary Lagrange-Euler）方法建立水及空气流域，数值模拟冰水的作用过程，从而形成船-冰-水耦合作用模型。在Lagrange阶段，利用Lagrange 方法进行计算，求解速度、位移等物理量，并对网格进行更新；在Euler阶段，利用Euler方法进行计算，求解压力、温度等物理量，并使用前一时刻的压力梯度来计算速度和位移；将Lagrange 和 Euler 这2种方法的计算结果进行插值，得到网格节点和单元上的物理量的值并进行下一步计算，重复以上步骤，直到达到设定的计算终止条件。在ALE算法中，Lagrange 和Euler这2种方法的计算交替进行，每一步计算都会对网格进行更新和调整，以跟踪材料的运动和形状变化，从而提高计算的准确性和精度。

任意物理量f可表示为：

$ \frac{{\partial f({X_i},t)}}{{\partial t}} = \frac{{\partial f({x_i},t)}}{{\partial t}} + \Delta {v_i}\frac{{\partial f({x_i},t)}}{{\partial t}},\Delta {v_i} = {u_i} - {w_i} 。$

(1)

式中：${X_i}$为拉格朗日坐标；${x_i}$为欧拉坐标；$\Delta {v_i}$为相对速度；${u_i}$为流体质点速度；${w_i}$为网格速度。在质量守恒方程中用流体密度$\rho $描述式(1)中的物理量f可得：

$ \left( {\frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \Delta {v_i}\frac{{\partial \rho }}{{\partial {x_i}}}} \right) + \frac{{\partial (\rho {u_i})}}{{\partial {x_i}}} = 0 。$

(2)

基于牛顿第二定律，推出本构方程：

$ {\tau _{ij}} = - p{\delta _{ij}} + \mu \left( {\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}} + \frac{{\partial {u_j}}}{{\partial {x_i}}}} \right) 。$

(3)

式中：${\tau _{ij}}$为应力张量；${\delta _{ij}}$为Kronecker函数；p为流场压强；$\mu $为粘性系数。

根据流体单元上力平衡的条件可推出：

$ {g_i} - \frac{1}{\rho }\frac{{\partial p}}{{\partial {x_i}}} + \frac{{\partial {\sigma _{ij}}}}{{\partial {x_j}}} = \frac{{\partial {u_i}}}{{\partial t}} + \Delta {v_j}\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}}。$

(4)

将应力张量${\tau _{ij}}$代入式(4)中可得动量守恒方程如下：

$ {g_i} - \frac{1}{\rho }\frac{{\partial p}}{{\partial {x_i}}} + \mu \frac{{{\partial ^2}{\sigma _i}}}{{\partial {x_i}\partial {x_j}}} = \frac{{\partial {u_i}}}{{\partial t}} + \Delta {v_j}\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}}。$

(5)

在破冰冲击载荷计算完成后得到船体外壳上各个网格节点的破冰冲击载荷，将各个网格节点上的破冰冲击载荷数据“节点对节点”加载到船舶有限元模型上是繁琐且人力难以实现的，因此本文针对破冰船振动声辐射模型上冲击载荷难以映射问题，提出了破冰冲击载荷数值平均的简化方法，如图1所示，将各节点上破冰冲击载荷${F_a}$、${F_b}$$ \cdot \cdot \cdot $${F_n}$进行分站数值平均，每一站施加平均后的载荷$ F\mathrm{_{ave}} $，这样能极大减小工作量，并通过试验对其有效性进行验证。

$ \frac{F_a+F_b+\cdot\cdot\cdot+F_n}{n}=F\mathrm{_{ave}}。$

(6)

1.2 破冰冲击振动噪声试验原理

本文通过试验研究方式开展破冰船冲击振动噪声特性研究，基于破冰冲击载荷数值平均简化方法（见图1），将破冰冲击载荷输入到激振系统，获取并分析破冰船典型板架结构和缩比模型振动噪声响应。

破冰冲击振动试验总体包括模型系统、激励系统和数据采集系统，模型系统包括典型板架结构模型和破冰船缩比模型，激励系统包括力传感器、激振杆、激振器、功率放大器、信号源等，数据采集系统包括振动加速度传感器、传声器、水听器、数据采集线缆、数据采集仪、笔记本电脑等。试验过程中，信号源将指定的激励信号通过功率放大器放大传输给激振器，激振器往复运动带动破冰船典型结构缩比模型振动，并通过布置在缩比模型上的振动加速度传感器和布置在空气环境中的传声器同步采集振动和声压信号，并将该信号传输给数据采集仪和笔记本，具体试验原理见图2～图3。

2 典型板架结构冲击振动噪声研究 2.1 试验模型

船体结构原型选取破冰船艏部与冰直接接触的外壳板架结构，结构原型长为8 m、宽为6 m、板厚为0.03 m，加强筋间距为0.43 m，其结构具有板材厚、加强筋分布密集、受冰载荷冲击力强等特点，且该结构为破冰冲击激励力能量向船体结构传递的必经之路。试验采用了板架结构缩比模型，模型材料与实际船体材料一致，并通过改变缩比模型板厚及加强筋尺寸等实现缩比模型与原型结构前两阶固有频率相近（误差控制在10%以内），缩比模型长为4 m，宽为3 m，板厚为0.012 m，如图4所示。

2.2 激励载荷设计

针对破冰冲击载荷输入需求，本试验基于带有塑性应变失效准则的弹性断裂失效模型建立平整冰有限元模型，采用Ls-dyna流固耦合方法对重型破冰船在典型破冰模式下冰载荷开展数值模拟，获得典型工况（3 kn航速、1 m冰厚）下破冰载荷数据，再将冰载荷进行分站数值平均简化方式处理。本试验选取船首与冰直接接触2个单元节点载荷，获取2个单元节点简化后破冰载荷，为满足实验室环境冰致振动噪声测试，测试过程中将冰致冲击载荷缩小到激振器可输出范围内，缩放后可得简化前后激励载荷见图5。

2.3 试验模型测点布置

根据板架模型的对称性以及特征频率，考虑到采集更多的数据，分别在板格中心处与加强筋处共布置12个振动加速度传感器，具体采集位置如图6所示，对空气噪声测试而言，由于本试验在空旷实验室完成，需保证传声器距离待测结构距离远小于混响半径，以保证传声器测得的为空气噪声直达声数据，经测算可得传声器布置在距待测模型边界0.8 m位置可最大限度减小混响声场的影响，本试验共布置4个传声器，具体见图7。

2.4 缩比模型冲击振动噪声对比分析

以多激振器激励为输入，首先在激励点1和激励点2分别施加简化前激励1和简化前激励2的破冰冲击载荷，然后在激励点1和激励点2再施加简化后的破冰冲击载荷，获取缩比模型不同测点破冰冲击振动和空气噪声对比数据，结果如图8所示。

由上述破冰载荷简化前后板架结构冰致振动噪声测试数据可知，载荷简化后结构振动响应和空气噪声均与简化前保持较好的一致性，尤其是冰致振动在特征线谱捕捉上吻合度较高，破冰冲击振动总级偏差为1.8 dB，空气噪声最大总级偏差为0.7 dB，部分冰致振动监测点总级偏差较大的主要原因是相应监测点距离激励点较远，缩比模型长时间静止导致结构振动特性传递发生了改变，总体上验证了本研究破冰冲击载荷简化方法的有效性。

在上述加强筋位置激励基础上，改变激励力位置，即在缩比模型板格中心3、4位置分别施加简化前后破冰冲击载荷，获取缩比模型冰致振动噪声对比结果如图9所示。

由上述破冰载荷简化前后振动噪声响应对比数据可知，板格中心受简化前后激励载荷作用下的冰致振动噪声响应保持较好的一致性，冰致振动总级偏差为1.1 dB，空气噪声最大总级偏差为2.6 dB，验证了本研究采用各测点平均的方式简化破冰冲击载荷方法的有效性。本次试验误差主要产生的原因：一是试验模型距离地面较近，导致传声器可能采集到部分地面带来的混响声；二是仿真计算测点是较为精细化的网格，而试验测点是较为粗糙的一部分区域，测点对应并未完全相同。

通过将板格中心位置激励与加强筋位置激励对比分析可知，相同激励载荷作用下，激励板格中心产生的冰致振动噪声响应在量值上更大，特征线谱也更加丰富，主要是因为相较于加强筋，板格处结构刚度更弱，相同激励载荷作用下更易产生丰富的局部振动响应。

3 船模结构水下噪声试验 3.1 试验模型设计

在上述典型板架结构冲击振动噪声试验研究基础上，为模拟实船破冰振动噪声，选取缩比船模（见图10）为试验对象，船模的尺寸、形状以及结构设计与实际破冰船保持相似性，以确保试验结果的有效性和可比性，缩比模型总长为3 m，宽为0.526 m，水线高度为0.22 m，厚度为0.003 m。

3.2 激励点及测点布置

为开展破冰船缩比模型冰致振动噪声试验研究，从尾部舱壁沿首部方向于破冰船缩比模型内部单侧每隔0.16 m布置一个振动加速度传感器，共布置10个；在船底板上布置8个传感器，在船首激励点周围布置3个振动加速度传感器，首部舱壁与尾部舱室分别布置2个振动加速度传感器，共布置25个振动加速度传感器，具体振动加速度传感器测点布置如图11所示。

为保证模型距离水听器距离小于混响半径，保证测得的噪声以直达声为主，同时拓展测试频段向低频偏移，本试验在破冰船缩比模型正下方0.5 m深度，在中纵剖面沿船长方向每隔0.6 m布置一个水听器，共布置5个水听器；在缩比模型两侧距离舷侧0.5 m纵剖面，沿船长方向每隔0.75 m布置一个水听器，两侧共布置不少于10个水听器，测点布置如图12所示。

3.3 激励载荷设计

破冰船缩比模型冰致振动噪声试验中，根据数值仿真的方法得到典型工况下的破冰冲击载荷，分别选取稳定破冰后的某一段2 s时域载荷和5 s时域载荷，并按照各个脉动周期幅值占比和载荷简化前后破冰激励力在时间上的积分相当的原则将其简化为三角波，通过激振器将简化前后的破冰冲击载荷施加到船模的首部。冰载荷简化前后时历曲线对比如图13所示。

3.4 试验结果分析 3.4.1 振动加速度响应分析

由图14可知，破冰船缩比模型结构振动响应主要集中在中低频段，尤其是30 Hz以下频段，且在时间上呈现一定的周期性，由此可以说明本试验测试数据与当前行业认知基本保持一致，其他因素对破冰冲击水下噪声的影响较小。同时对比施加简化后的冲击载荷与简化前的载荷，振动加速度响应变化规律基本相同，且在量值上相差不超过2.3 dB，表明简化方法具有较高的准确性。

3.4.2 水下辐射噪声响应分析

由图15可知，破冰船船模水下辐射噪声频率主要集中在800 Hz范围以内，且噪声在200 Hz以下的频段尤为显著。简化后的载荷产生的水下辐射噪声与简化前的噪声对比分析显示，简化后噪声的频率分布和强度与原始载荷下的噪声响应保持较好的一致性，进一步验证了破冰冲击载荷数值平均的简化方法的可行性。

4 结　语

建立破冰冲击载荷数值平均简化方法，通过典型结构板架与缩比船模破冰冲击振动噪声试验进行有效性验证，分析了典型破冰工况下结构冰致振动噪声特性，结论如下：

1）以典型板架结构和缩比船模为破冰振动噪声试验研究模型，对比破冰冲击载荷简化前后振动噪声，载荷简化后结构振动响应和辐射噪声均与简化前保持较好的一致性，验证了破冰冲击载荷数值平均简化方法的有效性。

2）通过对比板架结构和船模结构在不同试验工况下的振动响应数据，板架结构振动响应主要集中在中低频段，而船模结构在中高频段表现出更丰富的频谱特征，主要不同结构形式对振动特性不同，板架结构侧重于低频冲击载荷部分，船模在水中的振动传播特性更加复杂。

3）板架结构产生的空气噪声频率范围较广，且噪声强度较大，而船模结构在破冰冲击载荷作用下辐射噪声则集中在较低的频段，且噪声强度相对较小，主要由于船体结构的不同部分在不同介质中产生的噪声特征有显著差异，设计时应根据实际需求进行针对性优化。