船舶艙室噪聲SEA計算的快速建模及其可視化

金建海，冷文浩，吳文偉，須文波

（1江南大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

船舶艙室噪聲SEA計算的快速建模及其可視化

金建海1,2，冷文浩2，吳文偉2，須文波1

（1江南大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

通過分析中國船舶科學(xué)研究中心開發(fā)的基于SEA的船舶艙室噪聲計算方法的建模過程，提出了一種快速建模方法并重點討論了其中的艙室自動關(guān)聯(lián)算法，在畫家算法的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了模型的快速消隱顯示和云圖顯示功能。并通過實例，說明相關(guān)的前后處理算法能夠很好地滿足船舶艙室噪聲計算需求，大大提高了建模的效率。

統(tǒng)計能量法；前后處理；艙室噪聲；建模；可視化

1 引 言

統(tǒng)計能量分析法簡稱SEA（Statistical Energy Analysis），是基于統(tǒng)計平均的概念，將結(jié)構(gòu)按其幾何、物理等參數(shù)劃分成子系統(tǒng)，考慮子系統(tǒng)之間的能量傳遞，最終由能量方程組求解得到各子系統(tǒng)的平均能量的一種方法[1]。目前，統(tǒng)計能量法已經(jīng)從預(yù)報簡單的矩形腔聲場發(fā)展到預(yù)報整船的結(jié)構(gòu)噪聲和艙室空氣噪聲，國外已經(jīng)開發(fā)了通用的商用軟件AutoSEA[2]，它廣泛應(yīng)用于中高頻NVH領(lǐng)域，占據(jù)了全球約95%以上的市場，全球的航空、國防軍工、汽車、電子領(lǐng)域主要企業(yè)都采用它進行NVH評估和計算。這款軟件最初是針對航空行業(yè)開發(fā)的，并在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但在船舶行業(yè)的應(yīng)用還不多見[3]。中國船舶科學(xué)研究中心（以下簡稱CSSRC）在八五～十五期間開發(fā)了基于統(tǒng)計能量法的船舶結(jié)構(gòu)振動傳遞和艙室噪聲的計算方法[4]，該計算方法很好地解決了船舶艙室噪聲的預(yù)報問題，與實船實驗比較誤差在3dB以內(nèi)[5]。但該方法在前后處理方面存在不足，尤其是建模耗費了大量時間，影響了該方法的推廣應(yīng)用。本文作者根據(jù)其分析過程，開發(fā)了該計算方法的專用前后處理軟件系統(tǒng)，并將計算方法有機地集成在一起，形成了船舶艙室聲學(xué)CAE仿真軟件，可為設(shè)計人員提供快速有效的艙室噪聲預(yù)報和評估。

船舶艙室SEA計算模型的快速建立及其可視化是船舶艙室聲學(xué)CAE仿真軟件前后處理的重要功能，它大大縮短了采用SEA法進行船舶艙室噪聲分析的時間。但同時也是軟件實現(xiàn)的難點，是計算幾何和科學(xué)計算可視化領(lǐng)域的重要應(yīng)用分支，相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域如有限元分析前后處理的算法甚至軟件并不少見[6-7]，但大多是對基于圖形學(xué)的傳統(tǒng)可視化算法的綜合利用，不僅算法復(fù)雜，不易編程實現(xiàn)，而且與船舶艙室SEA模型的特點并不符合。本文結(jié)合開發(fā)完成的仿真軟件，從解決工程問題的角度出發(fā)，對船舶SEA法計算模型的快速建立及其可視化所牽涉到技術(shù)點進行討論并給出實現(xiàn)方案和算法。

2 SEA計算模型特點簡介

SEA法船舶艙室計算模型是一種基于邊界表示法的CAD模型。其中Face（面）都是平面凸多邊形（通常是四邊形），而Body（體）是由面圍成。如圖1是某一個艙室的SEA計算模型。

圖 1 中的 F0，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5 分別表示組成艙室（Body）的六個面，每個面（Face）是一個平面凸多邊形（通常是四邊形），它由節(jié)點圍成，如面 F0 由 G0，G1，G2，G3 組成，面 F2 由G1，G2，G6，G5 組成。 相鄰的兩個節(jié)點（如 G0，G1）可組成邊（Edge）。節(jié)點含有空間坐標信息。Body、Face和 Edge可分別用于表示聲場單元、板單元和梁單元的幾何對象。

組成艙室的各個Face之間不能有重疊和交叉。為了幾何處理的需要（如下文提到的艙室自動關(guān)聯(lián)），所有的Face都要剖分成三角形網(wǎng)格（簡單剖分即可，顯示的時候可以不顯示三角形網(wǎng)格，所以Face也可以認為由其三角形網(wǎng)格組成），三角剖分算法可參考相關(guān)文獻[8]，這里不作詳細描述，需要注意的是其中有些面是退化的多邊形，即其對應(yīng)的多邊形頂點中至少有三個點在同一條直線上。三角剖分后的計算模型相當于普通三維CAD模型進行有限元面網(wǎng)格劃分后的有限元模型，但保留了Body、Face和Edge的概念和其拓樸結(jié)構(gòu)。

圖1 某一船舶艙室的SEA模型Fig.1 SEA model of a shipboard

3 SEA計算模型的建立

3.1 模型的創(chuàng)建

根據(jù)章節(jié)2描述的SEA法船舶艙室計算模型的特點，軟件提供了方便直觀的界面讓用戶完成建模工作[9-10]。其建模過程包括兩種典型的方法，其中方法1的創(chuàng)建過程如下：

（1）輸入坐標以創(chuàng)建節(jié)點；

（2）在視圖中依次選擇節(jié)點以創(chuàng)建Face，同時Face要以這些節(jié)點剖分成三角形網(wǎng)格；

（3）在視圖中選擇Face以創(chuàng)建艙室。

普通CAD軟件和CAE前處理軟件都提供了這種方法供用戶建模，其建模速度與CSSRC以前采用的在Ansys中建模再轉(zhuǎn)換成求解器需要的卡片的方法相差不大，但是要方便直觀得多。

本文根據(jù)SEA法船舶艙室模型的特點—即模型中大部分艙室都是長方體（含立方體），甚至全部都是長方體，增加了一種更加快速的建模方法即方法2，其建模過程如下：

（1）快速建立簡單六面體艙室；

（2）創(chuàng)建完所有六面體艙室后，對所有的艙室進行自動關(guān)聯(lián)，使相鄰的艙室具有相同的邊界點和面；

其中第（1）步的實現(xiàn)過程可參考圖1中的長方體，用戶輸入G0的坐標，然后輸入x，y、z方向的長度（即G0G1、G0G3、G0G4的長度），則可以直接創(chuàng)建圖1中的長方體。它與方法1類似，只是六面體的8個節(jié)點的坐標不是用戶直接輸入，而是根據(jù)G0的坐標和x、y、z方向的長度計算獲得。當然，用戶也可以以方法1的方式先建立艙室，再進行第（2）步工作以確保模型的正確性。

第（2）步的實現(xiàn)過程比較復(fù)雜，需要作比較復(fù)雜的計算幾何處理，下一節(jié)將詳細討論。

3.2 艙室的自動關(guān)聯(lián)

相鄰的艙室（Body），在SEA計算模型中應(yīng)該具有相同的板格（Face），而不能有兩個相互重疊的Face。但是用戶在創(chuàng)建艙室的過程中，尤其是采用上文中提到的方法2創(chuàng)建各個艙室時，相鄰的艙室之間會有Face相互重疊，這是SEA計算模型所不允許的，如果直接計算會導(dǎo)致結(jié)果出錯甚至無法計算。因此需要將所有相鄰的艙室都關(guān)聯(lián)起來，使它們具有相同的邊界點和面。如圖 2 面 F1（由 G0，G1，G2，G3 構(gòu)成）屬于 Body I，面 F2（由N0，N1，N2，N3 構(gòu)成）屬于 Body II，但 F1 和 F2 相互重疊（距離為0或者在用戶指定范圍內(nèi)），此時，需要將Body I和Body II關(guān)聯(lián)起來，即需要將面F1和F2合并為一個面F1（或者F2），只有F1（或者F2）既屬于Body I，也屬于 Body II。

兩個相鄰的但是還沒有關(guān)聯(lián)的艙室（Body）之間的關(guān)系，也就是相互重疊Face之間的關(guān)系，如圖3，有且僅有以下三種情況：

圖2 兩個相鄰的艙室Fig.2 Two adjacent shipboards

圖3 Face重疊的三種情況Fig.3 Three mating types of face to face

（1）完全重疊：兩個Face基本一致，標志為MATING_SAME。

（2）包含一方：其中一個Face基本上是另外一個Face的一部分，標志為MATING_SINGLE。

（3）部分重疊：兩個Face都只有部分面積相互重疊，標志為MATING_MISMATCH。

艙室關(guān)聯(lián)的自動實現(xiàn)是一個比較復(fù)雜的過程：首先需要自動查找相互之間有重疊的Face對，然后將它們一一映射關(guān)聯(lián)。

自動查找相互之間有重疊的Face對的算法（C偽碼）如下：

（1）設(shè)Tolerance=用戶輸入或者根據(jù)模型尺寸確定的距離誤差值；

這里需要說明的是（11）步中的點的集合（G1,G2...Gn）不僅僅限于是模型中現(xiàn)有的節(jié)點，還包括可能的虛擬的點，譬如Face i中現(xiàn)有的Node1到Face j的距離為0，而相鄰的另一個節(jié)點Node2到Face的距離可能剛好大于Tolerance，且Node1與Node2所在的邊與Face i不是垂直的，這時需要在Node2和Node1之間的邊上線性插值形成新的虛擬點，該點到Face j的距離剛好為Tolerance。

在找到所有的重疊Face對后，就可以將它們一一映射以關(guān)聯(lián)起來。其實現(xiàn)過程如下（參考圖3）：

（1）do模型中每對重疊的Face(如圖3中的Face i和Face j)

4 SEA計算模型的可視化

SEA計算模型的可視化采用目前業(yè)界通用的OpenGL圖形軟件包，但其庫函數(shù)只是提供了點、線和平面凸多邊形（包括三角形）的顯示。為獲取真實感強的三維圖，還必須進行消隱處理，一般方法是將線段和全部面進行遮蔽測試，從而判斷它們之間的遮擋關(guān)系，為此，先要進行最小-最大測試，再進行交點計算和深度測試[11]。為了避免繁雜的交點計算和深度測試，同時考慮到模型中有相當一部分面的法向都是指向艙室內(nèi)部的（主要是相鄰艙室的共享面），不能用面的外法向與觀察方向的夾角來判斷面的可見性。所以本文采用的是基于畫家原理[12]的快速消隱算法：

（1）將各個面按其形心離視點的遠近進行排序，建立面的深度優(yōu)先級表。

（2）按照由遠及近的順序，將各個面依次投影到屏幕上，顯示結(jié)構(gòu)包含的實心區(qū)域。由于后繪制的圖形覆蓋先繪制的畫面，而后繪制的圖形代表的面離視點更近，因此由遠及近地繪制各面，就達到了消除隱藏面的效果。

利用該算法建立的模型，如果需要顯示被隱藏部分的模型特征同時又不影響顯示效果也非常方便，只需要在繪制面的時候設(shè)置一定的透明度。此外，為加強三維效果，還應(yīng)該在遠處設(shè)置光源。

在后處理階段，計算模型還需要以云圖的形式進行顯示，即在顯示模型的同時，還需要以一定的顏色來表示艙室噪聲的計算結(jié)果。其實現(xiàn)過程只要在消隱算法基礎(chǔ)上稍微改進一下，具體如下：

（1）根據(jù)所有艙室噪聲值的最大值和最小值，將噪聲值分成n個等級；

（2）畫上n個顏色級數(shù)的顏色標尺，標上對應(yīng)的量值，以供參考；

（3）do由遠及近依次提取面的深度優(yōu)先表中的每個面；

{

（4）獲得面所在的艙室的噪聲值；

（5）如果沒有噪聲值則不顯示，否則根據(jù)噪聲值大小獲得所對應(yīng)的級數(shù)；

（6）根據(jù)級數(shù)獲得對應(yīng)的顏色；

（7）使用獲得的顏色，調(diào)用OpenGL函數(shù)完成面的繪制和顏色填充；

}//end do

這個算法的運算量較之其它云圖顯示算法大大減少，這里需要說明的是第（4）步和第（5）步，由于部分艙室只需要考慮其結(jié)構(gòu)振動噪聲而不需要考慮艙室空氣噪聲，故沒有建立其聲場單元，計算時也就沒有該艙室的空氣噪聲值，此時只需要顯示其線框圖即可。

5 應(yīng)用實例

作者采用面向?qū)ο蟮乃枷?，用VC++語言開發(fā)了基于上述思想的船舶艙室聲學(xué)CAE仿真軟件。圖4是一個用于測試艙室自動關(guān)聯(lián)的簡單例子，包括了面與面重疊的各種類型。其中左圖是快速創(chuàng)建后的原圖，右圖則是自動關(guān)聯(lián)后的模型。為檢驗方便，模型顯示的時候都顯示了三角形網(wǎng)格。

圖4 艙室自動關(guān)聯(lián)例子Fig.4 Test case for shipboards auto link

另外，作為典型算例，我們對某船的主要艙室進行了艙室噪聲計算。如圖5，其中左圖是創(chuàng)建完畢并自動關(guān)聯(lián)后的SEA計算模型，共有50個艙室（包括363個板格），另外還有53個只考慮結(jié)構(gòu)噪聲的板格。整個建模花費的時間不到一個小時，大大低于以前一個工作日（約8個小時）的工作量。右圖則是該船在正常航行狀態(tài)下各主要艙室的空氣噪聲的云圖（參考聲壓級為2×10-5Pa），各艙室的顏色對應(yīng)的等級（共分成10個顏色等級）與計算結(jié)果是一致的，其中沒有空氣噪聲結(jié)果值的艙室只顯示其線框圖。

圖5 某船的SEA模型圖Fig.5 The SEA model of some ship

6 結(jié) 論

本文按照CSSRC采用SEA法進行船舶艙室噪聲分析的需要，完成了其模型的建立及其可視化。包括模型的創(chuàng)建、艙室的自動關(guān)聯(lián)、模型的消隱顯示以及后處理階段模型的云圖顯示等。主要結(jié)論如下：

（1）可以直觀地按照點、面（多邊形）、體的順序建立SEA計算模型，也可以快速簡便地創(chuàng)建各個六面體艙室。

（2）提出并解決了艙室（Body）自動關(guān)聯(lián)的算法，自動關(guān)聯(lián)后的模型符合SEA計算的要求。該算法解決了模型中的面的重疊問題，大大提高了建模的效率。

（3）提出并解決了模型顯示中的消隱的問題，以及在后處理階段的模型的簡便云圖顯示。模型及云圖的顯示準確、逼真、直觀，符合船舶艙室聲學(xué)CAE仿真軟件前后處理的要求。

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Quick modeling and visualization for SEA method to predict shipboard noise

JIN Jian-hai1,2,LENG Wen-hao2,WU Wen-wei2,XU Wen-bo1
(1 School of Information Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

By analyzing the modeling procedures of the SEA method developed by CSSRC to predict shipboard noise,a quick modeling method is presented and auto link for shipboards is discussed.Then the visualization of the model and contour display are realized based on improved painter’s algorithm.Finally,the examples are given to illustrate that the approaches of pre-post processing satisfy the requirement of shipboard noise prediction by SEA method well,and the efficiency of modeling is improved much.

SEA;pre-post processing;shipboard noise;modeling;visualization

U662.9

A

1007-7294（2010）07-0805-07

2009-06-30

“十一五”國家科技支撐計劃制造業(yè)信息化工程重大項目（2006BAF01A43）

金建海（1978-），男，江南大學(xué)與中國船舶科學(xué)研究中心聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生。

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