艦船管路閥組單元振動(dòng)特性分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

楊 波，朱 翔，張贛波

1 海軍駐廣州廣船國(guó)際股份有限公司軍事代表室，廣東廣州510382

2 華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢430074

0 引 言

在機(jī)械噪聲得到有效控制后，管路系統(tǒng)便成為艦船重要的振動(dòng)噪聲源［1-2］，大量文獻(xiàn)針對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題開(kāi)展過(guò)研究［3-4］，在管路系統(tǒng)中已采取多種措施降低管路的振動(dòng)與噪聲，比如管路彈性穿艙件［5］、撓性接管［6-7］和海水消聲器［8］等。泵［9-10］和閥門［11-12］作為管路中必不可少的元件，也是管路系統(tǒng)中主要的激勵(lì)源之一。艦船結(jié)構(gòu)上的管路復(fù)雜，有些區(qū)域?yàn)楸阌谥圃彀惭b，會(huì)將一系列類似的管路閥門組成一組，形成閥組單元并安裝在同一個(gè)閥組架上，然后閥組架再與船體結(jié)構(gòu)相連。流體流經(jīng)閥門時(shí)，會(huì)激勵(lì)閥門及管路閥架，并將振動(dòng)通過(guò)閥組架傳遞給船體結(jié)構(gòu)。閥組單元的結(jié)構(gòu)形式直接決定了閥組單元的聲振特性?，F(xiàn)在某液壓海水管路系統(tǒng)中，由于閥組單元振動(dòng)過(guò)大，振級(jí)偏高，因此需要對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行分析，并通過(guò)仿真對(duì)閥組架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以降低通過(guò)閥組單元傳遞到船體上的聲振動(dòng)，為艦船減振降噪提供有益的借鑒。

1 閥組單元有限元建模及振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算

1.1 閥組單元有限元建模

在有限元軟件ANSYS 中建立閥組單元的有限元模型。在閥組單元中，采用SOLID45 實(shí)體單元模擬閥，并在建模過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。考慮到建模的一致性，固定和支撐閥的閥組架也采用SOLID45 實(shí)體單元模擬。圖1 給出了閥組的有限元模型，閥組架上有5 個(gè)閥，其中連接閥的管路未建出。閥組架一般為角鋼焊接而成的框架結(jié)構(gòu)，閥則通過(guò)夾環(huán)固定在閥組架上并與管路聯(lián)通。閥組架焊接在船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)上，建模時(shí)，假設(shè)閥組架的邊界為固支邊界條件。初始閥組單元的結(jié)構(gòu)尺寸為：閥架臂長(zhǎng)H = 0.60 m，閥間距L =0.16 m，角鋼尺寸規(guī)格為50 mm ×50 mm ×4 mm。

圖1 閥組單元有限元模型Fig.1 FE model of pipeline valve units

1.2 閥組單元振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算

在實(shí)際管路系統(tǒng)中，閥的激勵(lì)源特性往往比較復(fù)雜，作為仿真計(jì)算和方案對(duì)比分析，對(duì)振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化。假設(shè)激勵(lì)力為單位大小，方向分別為水平和垂直方向，如圖2 所示。

圖2 施加激勵(lì)力方向Fig.2 Direction of applied load

在閥組架上選取5 個(gè)測(cè)點(diǎn)用于振動(dòng)響應(yīng)的評(píng)估，如圖3 所示。其中測(cè)點(diǎn)1，5 是閥組架與船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)連接處閥架的折邊角點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)2，3，4 分布在閥組架上。因?yàn)閭鬟f到船體的振動(dòng)對(duì)船舶的振動(dòng)與噪聲更為重要，因此，以測(cè)點(diǎn)1，5 的振級(jí)為主要指標(biāo)，輔之比較測(cè)點(diǎn)2，3，4 的振級(jí)。

圖3 測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.3 Arrangement plan of measured point

在3 個(gè)閥上分別施加垂直和水平方向的激勵(lì)力，得到各測(cè)點(diǎn)在各個(gè)方向的合成振動(dòng)加速度級(jí)，激勵(lì)頻率范圍為10～1 000 Hz，然后，再對(duì)此頻段內(nèi)的振級(jí)進(jìn)行能量求和，得到頻帶內(nèi)的總振級(jí)。

計(jì)算得到了原始閥組單元在1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)閥的垂直與水平方向激勵(lì)下振動(dòng)的加速度級(jí)，如表1 所示。

表1 初始閥組單元各測(cè)點(diǎn)振級(jí)Tab.1 Vibration levels of every measured points in original valve units

由表1 可以看出，初始閥組單元各測(cè)點(diǎn)的振級(jí)都偏高。以計(jì)算出的原始閥組聲振性能為參考，可以通過(guò)改變閥組單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)改善閥組單元的聲振特性。

2 閥組單元結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

根據(jù)實(shí)際情況可知，閥組單元可改變的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括閥架臂長(zhǎng)、閥的布置間距和閥架角鋼型號(hào)?，F(xiàn)通過(guò)改變閥組單元的閥架臂長(zhǎng)、閥的布置間距和閥架角鋼型號(hào)三組結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究這些參數(shù)變化對(duì)閥組單元聲振性能的影響來(lái)選出振級(jí)較小的閥組單元結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 閥架臂長(zhǎng)對(duì)閥組單元聲振性能的影響

閥組架近似為懸臂梁結(jié)構(gòu)，在很小的激勵(lì)作用下也會(huì)產(chǎn)生較大的振幅。對(duì)于懸臂梁結(jié)構(gòu)，臂長(zhǎng)是影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的主要參數(shù)，故有必要研究不同閥組架臂長(zhǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)聲振特性的影響，選出合適的閥組架臂長(zhǎng)尺寸。

根據(jù)實(shí)際的空間布置情況，選擇H = 0.50，0.55，0.60，0.65，0.70 m 這5個(gè)尺寸作為研究對(duì)象，計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)在不同位置和方向激勵(lì)下的振動(dòng)加速度級(jí)。圖4 給出了在其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變的情況下，閥架臂長(zhǎng)變化時(shí)各測(cè)點(diǎn)的振級(jí)。

圖4 改變閥架臂長(zhǎng)時(shí)各測(cè)點(diǎn)振級(jí)Fig.4 Vibration level of measured points with the change of length of valve unit’s frame

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閥架臂長(zhǎng)H =0.55 m 時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的振級(jí)相對(duì)最小。在其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變（閥間距0.16 m，角鋼尺寸規(guī)格50 mm × 50 mm×4 mm）的情況下，可選用0.55 m 的閥架臂長(zhǎng)作為優(yōu)化尺寸。

限于篇幅，僅給出了在1 號(hào)閥位置進(jìn)行垂向激勵(lì)的情況，其他位置和方向激勵(lì)的結(jié)果類似。

2.2 閥布置間距對(duì)閥組單元聲振性能的影響

在實(shí)際工程中，閥間距的選擇具有很大的隨意性。在有限的布置空間內(nèi)，施工人員按照閥的最小間距比，并考慮方便操作以及美觀等因素來(lái)進(jìn)行閥的安裝，閥的安裝間距主要由施工人員的經(jīng)驗(yàn)決定。因此，研究不同閥間距對(duì)閥組單元的聲振性能影響是很有必要的。為此，選用了L =0.16，0.18，0.20，0.22，0.24 m 這5 個(gè)閥間距作為研究對(duì)象。圖5 給出了在其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變時(shí)，閥間距變化時(shí)各測(cè)點(diǎn)的振級(jí)結(jié)果。

圖5 改變閥組間距時(shí)各測(cè)點(diǎn)振級(jí)Fig.5 Vibration level of measured points with the change of valves’distance

綜合比較可知，當(dāng)閥間距L = 0.18 m 時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的振級(jí)相對(duì)最小。在其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變（閥架臂長(zhǎng)0.60 m，角鋼尺寸規(guī)格50 mm ×50 mm×4 mm）的情況下，可選用0.18 m 作為優(yōu)化的閥間距。

2.3 閥架角鋼尺寸規(guī)格對(duì)閥組單元聲振性能的影響

閥組架剛度在很大程度上會(huì)影響閥組單元的聲振性能，而制造閥組架的角鋼尺寸規(guī)格則直接影響閥組架的剛度。因此，需要研究閥組架角鋼尺寸規(guī)格對(duì)閥組單元聲振特性的影響。

根據(jù)實(shí)際常用的角鋼型號(hào)，選用40 mm × 40 mm × 4 mm，45 mm × 45 mm × 4 mm，50 mm × 50 mm × 4 mm，56 mm × 56 mm × 4mm 和63 mm × 63 mm × 4 mm 這5 種尺寸規(guī)格的角鋼材料作為研究對(duì)象，計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)在1，2，3 號(hào)閥的垂直與水平方向激勵(lì)下的振動(dòng)加速度級(jí)。圖6 給出了在其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變時(shí)，閥組架角鋼尺寸變化時(shí)各測(cè)點(diǎn)的振級(jí)。

圖6 改變角鋼尺寸時(shí)各測(cè)點(diǎn)振級(jí)Fig.6 Vibration level of measured points with the changing of the beam size

由圖6 可以發(fā)現(xiàn)，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變（閥架臂長(zhǎng)0.60 m，閥間距0.16 m）的情況下，閥組架角鋼尺寸的變化沒(méi)有其他2 種參數(shù)變化時(shí)對(duì)聲振特性的影響大。綜合比較可見(jiàn)，型號(hào)為40 mm×40 mm×4 mm 的角鋼尺寸規(guī)格使得結(jié)構(gòu)的振級(jí)最小。

2.4 組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)對(duì)閥組單元聲振性能的影響

上述分析都只是改變閥組單元結(jié)構(gòu)的一個(gè)尺寸參數(shù)，還需要分析各尺寸參數(shù)變化對(duì)閥組單元聲振性能的綜合影響。綜合以上分析，給出了4種不同的組合結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表2 所示。

表2 閥組單元組合變化方案列表Tab.2 Cases of valve unit frame with different parameters

對(duì)組合參數(shù)的閥組單元進(jìn)行計(jì)算，得到了各測(cè)點(diǎn)振級(jí)。圖7 所示為在組合參數(shù)情況下的各測(cè)點(diǎn)振級(jí)。因測(cè)點(diǎn)1，5 在閥架與船體結(jié)構(gòu)連接處，閥組單元的振動(dòng)會(huì)通過(guò)閥架傳遞到船體上，故側(cè)重比較測(cè)點(diǎn)1，5 的振級(jí)。綜合比較可以看出，第4種組合方案中，閥組單元測(cè)點(diǎn)1，5 的振級(jí)均為最小。組合方案4 中，各測(cè)點(diǎn)的振級(jí)比原始方案均至少低10 dB，靠近船體的測(cè)點(diǎn)1，5 的振級(jí)甚至比原始方案低30 dB。故選擇閥架臂長(zhǎng)H = 0.55 m，閥間距L = 0.18 m，閥架角鋼尺寸規(guī)格40 mm ×40 mm ×4 mm 為閥組單元的綜合結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)。

圖7 不同組合方案時(shí)各測(cè)點(diǎn)振級(jí)Fig.7 Vibration level of measured points in different cases

3 結(jié) 論

通過(guò)以上分別對(duì)閥架臂長(zhǎng)、閥布置間距以及閥架角鋼尺寸等參數(shù)變化對(duì)閥組單元聲振特性影響的分析，可得到以下結(jié)論：

1）在各種不同位置激勵(lì)時(shí)，無(wú)論是改變閥架臂長(zhǎng)、閥布置間距還是閥架角鋼尺寸，閥組模型均為：在閥組架與船體結(jié)構(gòu)相連的附近，其測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)1，5）振級(jí)最??；在激勵(lì)點(diǎn)附近（測(cè)點(diǎn)3）和閥架的懸臂處（測(cè)點(diǎn)2，4），振級(jí)相對(duì)較大。這表明閥組單元振動(dòng)能量的傳遞路徑為閥—閥架—船體結(jié)構(gòu)，這與理論分析相吻合。

2）通過(guò)單獨(dú)改變閥架臂長(zhǎng)參數(shù)、閥的間距和閥架角鋼尺寸均可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)振級(jí)隨單一參數(shù)改變而引起的變化趨勢(shì)并非為單調(diào)變化，這是由于改變這些參數(shù)后，整個(gè)閥組架這一連續(xù)系統(tǒng)固有的頻率和剛度均有變化，其聲振特性與閥架臂長(zhǎng)等參數(shù)間的影響規(guī)律很復(fù)雜，無(wú)法得出閥組振級(jí)與參數(shù)間的單一變化規(guī)律。

3）從測(cè)點(diǎn)總振級(jí)隨閥架臂長(zhǎng)變化的曲線可見(jiàn)，閥架的振級(jí)對(duì)閥架臂長(zhǎng)的變化較為敏感，臂長(zhǎng)參數(shù)的改變可能會(huì)引起閥架振級(jí)的顯著變化。與閥架臂長(zhǎng)改變引起測(cè)點(diǎn)振級(jí)變化的敏感程度相比，閥組間距隨步長(zhǎng)的變化以及閥組角鋼尺寸變化所引起的同一測(cè)點(diǎn)總振級(jí)的變化則不是特別明顯。

4）在加工制造管路閥組架時(shí)，對(duì)閥架臂長(zhǎng)的確定需更為慎重。首先，可以通過(guò)調(diào)整合適的閥架臂長(zhǎng)得到振動(dòng)相對(duì)較優(yōu)的閥架結(jié)構(gòu)，然后，再進(jìn)一步改變閥組間距和角鋼尺寸，得到更為優(yōu)化的閥組架。

5）從選取的幾種組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，方案4（閥架臂長(zhǎng)0.55 m，閥間距0.18 m，閥架角鋼尺寸規(guī)格為40 mm × 40 mm × 4 mm）在典型測(cè)點(diǎn)的振級(jí)均比其他各方案的小，比原始方案至少小10 dB，這組參數(shù)可以作為該管路閥組的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)。相關(guān)的結(jié)論可以在模擬試驗(yàn)臺(tái)架中進(jìn)行驗(yàn)證。該方法也可以用于其他類似的閥組結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，以提高低噪聲建造的工藝水平。

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