艦船剛性阻振質(zhì)量基座中頻振動特性研究

王強(qiáng)勇 姚熊亮 盧友敏 王獻(xiàn)忠 龐福振

1武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064

2哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

艦船剛性阻振質(zhì)量基座中頻振動特性研究

王強(qiáng)勇1姚熊亮2盧友敏2王獻(xiàn)忠2龐福振2

1武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064

2哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

有限元與統(tǒng)計(jì)能量混合法（FE－SEA）將計(jì)算低頻響應(yīng)的有限元法（FEM）與計(jì)算高頻響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）結(jié)合起來，有效解決了FEM計(jì)算量大而SEA計(jì)算不準(zhǔn)的中頻域問題。提出在艦船彈性基座中引入剛性減振器，即在艦船基座與船體結(jié)構(gòu)連接部位布設(shè)剛性阻振質(zhì)量，并采用基于FE－SEA混合法的VA One軟件對艦船剛性阻振質(zhì)量基座的中頻振動特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，剛性阻振質(zhì)量對中高頻結(jié)構(gòu)噪聲可起到明顯的隔振作用，而對低頻結(jié)構(gòu)噪聲的減振效果則不明顯，甚至沒有減振效果，這對剛性阻振技術(shù)在實(shí)艇基座減振降噪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有一定的實(shí)際工程價值。

剛性阻振質(zhì)量；艦船基座；阻抗失配；振動特性；FE－SEA混合法

1 引言

在船體結(jié)構(gòu)上安裝船用機(jī)械設(shè)備通常借助中間安裝構(gòu)件——隔振基座［1］，其作用是連接設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)，承受設(shè)備的動靜載荷，傳遞船體與設(shè)備之間的相互作用載荷，同時限制和阻抑設(shè)備傳遞下來的振動。研究表明，設(shè)備的振動不僅會影響機(jī)組的正常運(yùn)行和使用壽命，而且還會通過船體結(jié)構(gòu)向水中輻射形成結(jié)構(gòu)輻射噪聲，嚴(yán)重影響艦船的聲隱身性能，因此，必須對艦船基座進(jìn)行隔振處理［2］。傳統(tǒng)的隔振設(shè)計(jì)是在設(shè)備與基礎(chǔ)之間配置彈性支撐或阻尼材料，這屬于柔性隔振。但在實(shí)際應(yīng)用中，與動力機(jī)械相連的某些設(shè)備或結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時往往不允許自身有大的變形，此時采用柔性隔振技術(shù)來阻隔振動波的傳遞并不適宜，因而必須研究使用剛性減振技術(shù)［3］。

艦船剛性阻振質(zhì)量基座就是在艦船基座與船體結(jié)構(gòu)的連接部位布設(shè)剛性阻振質(zhì)量，由于阻振質(zhì)量相對船體板而言具有大的阻抗，因而可反射一部分抵達(dá)阻振質(zhì)量的振動波，從而達(dá)到隔離聲振動的目的［4］。從理論上講，可采用有限元法（FEM）來對艦船剛性阻振質(zhì)量基座進(jìn)行全頻段動力響應(yīng)計(jì)算，但隨著計(jì)算頻率的提高，局部模態(tài)變得非常密集，導(dǎo)致有限元法的計(jì)算量大大增加，同時高頻域的計(jì)算誤差也難以控制，因此，在低頻域采用有限元法是較合適的選擇。當(dāng)單位帶寬內(nèi)模態(tài)數(shù)大于5時，高頻域響應(yīng)采用統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）的計(jì)算精度可以滿足要求，而對于單位帶寬內(nèi)模態(tài)數(shù)大于2小于5的中頻域，由于各子系統(tǒng)的動力特性差異，以及動力響應(yīng)計(jì)算精度難以保證，因而SEA不再適用［5］。因此，動力學(xué)計(jì)算就出現(xiàn)了FEM計(jì)算量大而SEA計(jì)算不準(zhǔn)的中頻域問題，艦船剛性阻振質(zhì)量基座動力學(xué)計(jì)算就存在這個問題。

本文對FE－SEA混合法的原理、建模方法和計(jì)算精度進(jìn)行了介紹，并采用基于FE－SEA混合法的VA One軟件對艦船剛性阻振質(zhì)量基座的中頻振動特性進(jìn)行了研究，所得結(jié)論對剛性阻振技術(shù)在實(shí)艇減振降噪中的應(yīng)用具有一定參考意義。

2 FE－SEA混合計(jì)算原理

根據(jù) Langley［6～11］等人提出的結(jié)構(gòu)動力學(xué)有限元與統(tǒng)計(jì)能量混合計(jì)算方法，結(jié)構(gòu)振動噪聲可由下式得到：

式（1）代表耦合統(tǒng)計(jì)能量方程，式（2）代表耦合動力學(xué)有限元方程。式中，P為第 j個統(tǒng)計(jì)能量子系統(tǒng)直接場的耦合平均輸入能量；Sff為載荷f的正交形式；＜Sqq＞為Sff正交譜分解形式的期望值；Dtot為系統(tǒng)總體動態(tài)剛度矩陣；D為第k個統(tǒng)計(jì)能量子系統(tǒng)直接場的動態(tài)剛度矩陣。其中：

式中，ωηjkηj為第j個子系統(tǒng)反射場單位模態(tài)密度中第k個子系統(tǒng)直接場的耦合平均輸入能量。

式中，ωηd，j為第j個反射場每模態(tài)密度上確定性子系統(tǒng)的能量損耗。

式中，Dd為確定性子系統(tǒng)的動態(tài)剛度矩陣。

3 艦船剛性阻振質(zhì)量基座FE－SEA混合計(jì)算模型

雖然艦船動力艙段的實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但大都可以簡化為雙層圓柱殼體。本文采用的基座艙段模型為內(nèi)外殼同心的雙層圓柱殼體，如圖1所示。其具體幾何尺寸為：艙段總長L＝13.0 m，非耐壓殼體直徑 D＝11.1 m，厚度 t1＝0.009 m；耐壓殼體直徑 d＝9.2 m，厚度 t2＝0.035 m；內(nèi)外殼間以托板和實(shí)肋板連接，托板厚t3＝0.008 m，實(shí)肋板厚t4＝0.007 m，肋距 l＝0.650 m，殼內(nèi)對稱布置了兩列基座。

艦船剛性阻振質(zhì)量基座由基座面板、腹板、肘板以及布設(shè)在基座腹板上的剛性阻振質(zhì)量帶組成，如圖2所示。其具體尺寸為：基座面板a＝0.400 m，厚度 t5＝0.020 m；腹板 b ＝1.500 m，厚度t6＝0.012 m；肘板 c＝0.800 m，厚度 t7＝0.012 m；剛性阻振質(zhì)量布設(shè)在基座腹板上靠近耐壓殼體處，距離耐壓殼體e＝0.200 m，通過綜合考慮基座尺寸及艙段總重量限制等問題，取剛性阻振質(zhì)量截面尺寸96×96 mm。整個基座艙段模型的材料參數(shù)為：彈性模量E＝205 000 MPa，泊松比μ＝0.3，密度 ρ＝ 7 800 kg／m3。

對基座艙段模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)能量法動力學(xué)分析，得到了各典型子系統(tǒng)單位帶寬內(nèi)模態(tài)數(shù)隨頻率的變化曲線，如圖3所示。

由圖3可看出，艦船剛性阻振質(zhì)量基座艙段統(tǒng)計(jì)能量計(jì)算模型中基座面板、肘板和剛性阻振質(zhì)量等子系統(tǒng)不滿足最低單位帶寬模態(tài)數(shù)的要求，而基座腹板、耐壓殼體、非耐壓殼體、托板和實(shí)肋板等子系統(tǒng)則能滿足計(jì)算要求。因此，基座腹板、耐壓殼體、非耐壓殼體、托板和實(shí)肋板仍可采用SEA子系統(tǒng)模擬，而基座面板、肘板和剛性阻振質(zhì)量等結(jié)構(gòu)則以FE模擬。同時，采用FE－SEA混合法建立SEA與FE子系統(tǒng)之間的連接方式，并在基座面板上施加激勵力載荷。艦船剛性阻振質(zhì)量基座艙段動力學(xué)分析FE－SEA混合計(jì)算模型如圖4所示。

計(jì)算時，在兩邊基座面板上分別選取2個點(diǎn)作為設(shè)備隔振器的安裝點(diǎn)，設(shè)備激勵力（垂直于基座面板）便通過這4個隔振器安裝點(diǎn)傳遞到基座上并激勵內(nèi)外殼體振動，激勵頻率按1／3倍頻在100～5 000 Hz頻段內(nèi)選取。針對本文所討論的問題，在基座面板和艙段非耐壓殼體上共選取8個典型結(jié)構(gòu)測點(diǎn)來對比分析剛性阻振質(zhì)量的隔振性能，如圖5所示。

4 結(jié)果及分析

圖6和圖7所示為布設(shè)剛性阻振質(zhì)量后各結(jié)構(gòu)測點(diǎn)的加速度響應(yīng)值隨激振頻率變化的曲線，通過對比分析，即可討論剛性阻振質(zhì)量對基座隔振性能的影響規(guī)律。

由圖6、圖7可見，在基座腹板上布設(shè)剛性阻振質(zhì)量后，在1 000 Hz以上頻段，基座艙段非耐壓殼體的振動加速度級明顯低于基座面板，但兩者隨激振力頻率變化曲線的變化趨勢基本一致。在1 000 Hz以下頻段，基座艙段非耐壓殼體和基座面板的振動加速度級隨頻率變化曲線相互交錯，變化趨勢復(fù)雜。從總體上來看，布設(shè)剛性阻振質(zhì)量后，非耐壓殼體的振動加速度級相對于基座面板有所下降，但主要集中在中高頻段。這說明剛性阻振質(zhì)量對中高頻結(jié)構(gòu)噪聲可起到明顯的隔離作用，而對低頻結(jié)構(gòu)噪聲則幾乎不起作用。

根據(jù)結(jié)構(gòu)噪聲的評價標(biāo)準(zhǔn)，如果用與噪聲級類似的表示方法——加速度分貝來描述振動級，則振動“加速度分貝”的表示形式為［12］：

式中，a1為基座面板上測點(diǎn)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度；a2為基座艙段非耐壓殼體上測點(diǎn)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度。

將所有頻譜分量的加速度傳遞函數(shù)響應(yīng)值相加，按上述公式可得出各測點(diǎn)的分貝值，如表1所示，其中測點(diǎn) 5、6、7、8 分別是以測點(diǎn) 1、2、3、4 為基準(zhǔn)的。

表1 各測點(diǎn)減振效果功率級列表Tab.1 The damping power levels of each measuring point

由表1可見，在基座腹板上布設(shè)剛性阻振質(zhì)量后，基座艙段非耐壓殼體振動級的加速度分貝值相對于基座面板平均下降了4.90 dB。

5 結(jié) 論

本文應(yīng)用FE－SEA混合法建立了艦船剛性阻振質(zhì)量基座有限元與統(tǒng)計(jì)能量混合模型，并對其進(jìn)行了中高頻振動特性研究，通過對比分析，主要得出以下結(jié)論：

1）FE－SEA混合法是一種雜交計(jì)算方法，它能提供一種區(qū)別于原先只能單純依賴SEA或FEM的系統(tǒng)響應(yīng)計(jì)算方法，有限元子系統(tǒng)作為統(tǒng)計(jì)能量子系統(tǒng)間的能量損耗連接而添加到系統(tǒng)中。

2）剛性阻振質(zhì)量對中高頻結(jié)構(gòu)噪聲可起到明顯的隔振作用，對低頻結(jié)構(gòu)噪聲的減振效果則不明顯，甚至沒有減振效果。

3）在基座腹板上布設(shè)剛性阻振質(zhì)量后，基座艙段非耐壓殼體的振動噪聲相對于基座面板平均下降了 4.90 dB。

［1］李江濤，王瑋波，吳有生.阻振質(zhì)量對基座縱橫向振動傳遞的影響 ［C］／／2007年船舶力學(xué)學(xué)術(shù)會議暨 《船舶力學(xué)》創(chuàng)刊十周年紀(jì)念學(xué)術(shù)會議論文集，2007.

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Characteristics of Ship Pedestal with Rigid Vibration Isolation Mass in Mid-Frequency Domain

Wang Qiang-yong1Yao Xiong-liang2Lu You-min2Wang Xian-zhong2Pang Fu-zhen21 Wuhan Second Ship Design and Research Institute， Wuhan 430064，China
2 College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China

This paper aims to predict the vibration characteristics of rigid vibration isolation mass in the mid－frequency range.However， the calculation by FE method is quite time－consuming for low－frequency range， while by SEA method it cannot get exact results for mid－frequency range.A ship pedestal with rigid vibration isolation mass was studied by introducing the FE－SEA hybrid method with VA One software to deal with this problem.In the design of ship pedestal， a rigid vibration absorber was added，which positioned at the region of ship pedestal connected with the ship structure.The results show that for medium－h(huán)igh frequency structure noise， rigid vibration isolation mass can effectively reduce the vibration and sound radiation of the non－pressure hull， while in low frequency， vibration isolation effect of the mass is not so obvious.

rigid vibration isolation mass； ship pedestal； impedance mismatch； vibration characteristics； FE－SEA hybrid method

U661.44

A

1673－3185（2011）03－64－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.014

2010-01-25

國防重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目（40*********01）

王強(qiáng)勇（1986－），男，碩士。研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)。E-mail：wangqiangyong666＠163.com

姚熊亮（1963－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)。E-mail：xiongliangyao＠gmail.com