基于有限元仿真的隔振通艙管件設(shè)計(jì)

沈正帆，吳聲敏，張 瑤，周志杰

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

0 引言

隨著船舶液壓系統(tǒng)的發(fā)展，液壓泵組及管路所產(chǎn)生的噪聲也隨之越來越受到人們的關(guān)注。液壓泵組的噪聲，控制閥中的氣穴、液壓沖擊以及與系統(tǒng)中的其他部件形成的耦合振動(dòng)都是液壓系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)的主要原因［1］。

針對(duì)各類噪聲和振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，目前在船舶上也采取了一些針對(duì)性的措施來減小液壓系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲。為了減小液壓泵組的振動(dòng)向系統(tǒng)管路傳遞，在泵組的進(jìn)出口管路處使用撓性接管取得一定的減振效果［2］。但是液壓管路的穿艙部位處使用的還多是剛性通艙管件，在控制振動(dòng)的傳遞途徑方面還存在一定的改進(jìn)空間。

本文結(jié)合隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論和特點(diǎn)，為加強(qiáng)對(duì)液壓系統(tǒng)在流動(dòng)管路上的振動(dòng)控制，在傳遞途徑上減小其不利影響，通過開展多方案優(yōu)化對(duì)比后設(shè)計(jì)了具有隔振功能的通艙管件，并對(duì)其開展相關(guān)的數(shù)值仿真試驗(yàn)工作，結(jié)果表明采用隔振通艙管件能有效的降低管路系統(tǒng)振動(dòng)向艙壁的傳遞。

1 隔振通艙管件設(shè)計(jì)方案

彈性隔振元件在實(shí)際工程應(yīng)用上受到很多條件的限制，最常用的隔振器包括:彈簧隔振器、橡膠隔振器、橡膠復(fù)合隔振器以及空氣彈簧隔振器［3］。盡管隔振器的種類較多，但在隔振機(jī)理方面類似，影響隔振系統(tǒng)控制振動(dòng)及其傳遞的3個(gè)基本因素為隔振器的剛度、被隔離物體質(zhì)量及隔振器的阻力。剛度越大，隔振效果越差;被隔離物體質(zhì)量越大，在確定振動(dòng)力作用下物體振動(dòng)越小;而支撐阻力在共振區(qū)能抑制共振振幅，減弱高頻區(qū)物體的振動(dòng)。由于所應(yīng)用的場合為穿艙部位，同時(shí)由于橡膠隔振器適用的頻率范圍是4～15 Hz，且不僅在軸向，而且在橫向及回轉(zhuǎn)方向均具有很好的隔離振動(dòng)作用，且橡膠內(nèi)部阻力比金屬大，高頻振動(dòng)隔離性能好［3］，綜合以上因素確定了隔振通艙管件采用橡膠隔振器的型式。

液壓系統(tǒng)管路中壓力油管路內(nèi)的流體因閥門的開啟和關(guān)閉而在管路內(nèi)部形成的液壓沖擊最大，可能引起較大的噪聲和振動(dòng)，因此選取壓力油管路為對(duì)象開展了相應(yīng)的管件設(shè)計(jì)和仿真試驗(yàn)研究工作。

1.1 隔振橡膠材料

隔振橡膠一般使用的橡膠材料可分為5種:一般硫化橡膠，包括天然橡膠、丁苯橡膠、丁二烯橡膠等或者它們的混合物;特別要求耐油性能的硫化橡膠，如丁腈橡膠;特別要求耐天候性能的硫化橡膠，如氯丁橡膠;特別要求減振性能的硫化橡膠，如異丁橡膠;特別要求耐熱性能的硫化橡膠，如乙烯丙烯共聚物橡膠。

隔振橡膠的使用環(huán)境和功能特點(diǎn)是選擇橡膠材料的關(guān)鍵因素。隔振通艙管件主要應(yīng)用于液壓系統(tǒng)管路穿過艙壁處的管節(jié)部位，結(jié)合各種橡膠的特點(diǎn)及用途，本隔振通艙管件采用三元乙烯丙烯橡膠材料作為管件的減振部件，它是不飽和的乙烯和丙烯鍵與第三成分組成的三元共聚物，耐熱、耐天候性、耐臭氧性能好。在天然橡膠和丁苯橡膠中摻入少量而改進(jìn)其性能，用作在高混下的隔振橡膠。隔振橡膠的動(dòng)態(tài)性能、蠕變性能、低溫特性，與金屬的粘結(jié)力、耐沖擊性能、耐疲勞破壞性能均可以通過原料橡膠的配方來控制。三元乙烯丙烯在本質(zhì)上無極性，對(duì)極性溶液和化學(xué)物具有抗性、吸水率低，具有良好的絕緣特性。

同時(shí)由于橡膠隔振器的性能和質(zhì)量主要取決于橡膠的配方和硫化工藝，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橡膠隔振器往往需要多次的試驗(yàn)總結(jié)才能確定加工工藝以取得預(yù)期的力學(xué)性能［3］。通過橡膠材料的對(duì)比與選型最終確定應(yīng)用與該管件的隔振橡膠的材料特性如表1所示。

表1 橡膠材料的力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical property of rubber material

1.2 隔振通艙管件方案

隔振通艙管件主要作用在于隔振，要設(shè)計(jì)出簡單的結(jié)構(gòu)形式，又能最大程度地耗散管系的振動(dòng)能量，使瞬態(tài)振動(dòng)迅速衰減并避免自激振動(dòng)的產(chǎn)生，從而有效的減小管系的振動(dòng)向船體傳遞。根據(jù)隔振通艙管件的特點(diǎn)，形成多種設(shè)計(jì)方案。

圖1 方案一Fig.1 Scheme 1

圖2 方案二Fig.2 Scheme 2

圖3 方案三Fig.3 Scheme 3

圖4 樣機(jī)安裝效果圖Fig.4 Effect of installation

以上設(shè)計(jì)方案均考慮了管件與硫化橡膠的施工工藝及實(shí)際安裝需求;方案一與方案二總體結(jié)構(gòu)形式相似，結(jié)構(gòu)簡單安裝方便，區(qū)別在于管件與硫化橡膠結(jié)合處的結(jié)構(gòu)形狀不同，方案一相對(duì)于方案二結(jié)構(gòu)形式更簡單;方案三采用了縱向和斜向壓緊方式，但縱向抗剪切能力不夠，當(dāng)管件上縱向力較大時(shí)，容易導(dǎo)致管件與硫化橡膠發(fā)生滑脫。通過對(duì)比確定方案一為設(shè)計(jì)方案。隔振通艙管件的樣機(jī)效果如圖4所示。

2 隔振性能的數(shù)值仿真

由于隔振性能是隔振通艙管件的重要考核指標(biāo)，因此必須對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理有效的計(jì)算和評(píng)估。在隔振和沖擊計(jì)算分析方面，目前應(yīng)用比較多的方法包括經(jīng)驗(yàn)公式法、動(dòng)力分析法、有限元分析法、沖擊響應(yīng)譜法、動(dòng)力設(shè)計(jì)分析法以及沖擊隔離優(yōu)化設(shè)計(jì)等［2］。由于管件的結(jié)構(gòu)形式對(duì)于其減振效果有很大影響，采用有限元分析方法能對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度及沖擊響應(yīng)進(jìn)行全面的考核，但將具有高度非線性特征的管件 (同時(shí)具有材料非線性、接觸非線性及大變形等特點(diǎn))簡化成為線性模型可能會(huì)存在較大的誤差，甚至在通用有限元分析程序中無法求解。為了體現(xiàn)這種高度非線性特性，本文采用基于顯式動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論的計(jì)算方法對(duì)管件在沖擊載荷作用下的時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真試驗(yàn)研究。

2.1 顯式動(dòng)力計(jì)算方法及特點(diǎn)

顯式動(dòng)力計(jì)算方法廣泛應(yīng)用于幾何非線性(大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變)、材料非線性和接觸非線性等情況下的有限元分析，以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法;以顯式求解為主，兼有隱式求解功能;以結(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析、流體－結(jié)構(gòu)耦合功能;以非線性動(dòng)力分析為主，兼有靜力分析功能;是通用結(jié)構(gòu)分析的非線性有限元程序［4］。該方法用中心差分法在時(shí)間t求加速度:

式中:Fhg為沙漏阻力;Fcont為常量力。速度與位移用下式得到:

本文計(jì)算中所應(yīng)用的單元為8節(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在x，y，z方向都具有位移、速度和加速度等自由度。所選用的Blatz-Ko接近不可壓縮橡膠模型使用第二類Piola－Kirchoff應(yīng)力。

式中:G為剪切模量;V為相對(duì)體積;v為泊松比;Cij為右柯西－格林應(yīng)變張量;δij為Kronecker delta。

2.2 物理模型及網(wǎng)格劃分

由于硫化橡膠的材料硬度遠(yuǎn)小于管件本體材料，隔振通艙管件在沖擊載荷作用下的響應(yīng)特性取決于硫化橡膠件與管件間的相互作用，法蘭連接結(jié)構(gòu)對(duì)硫化橡膠的響應(yīng)特性幾乎沒有影響，所以為了簡化計(jì)算模型，對(duì)法蘭及連接件進(jìn)行適當(dāng)簡化。采用軸對(duì)稱單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通艙管件的模型如圖5和圖6所示。

圖5 三維計(jì)算模型圖Fig.5 Three-dimensional calculation model

圖6 三維計(jì)算有限元模型Fig.6 The finite element model

圖7 壓力響應(yīng)曲線Fig.7 Pressure response curve

2.3 邊界、載荷及仿真結(jié)果

通艙管件焊接基座(件2)與艙壁(件1)焊接在一起;端面法蘭(件4)通過位移約束模擬對(duì)硫化橡膠減振件(件3)的安裝預(yù)緊;件2，3，5(通艙管件過流件)之間由于接觸關(guān)系相互作用;對(duì)艙壁邊線施加位移全約束。

對(duì)通艙管件進(jìn)行分析，模擬液壓通艙管件在穩(wěn)態(tài)內(nèi)部液壓的作用下工作時(shí)，由于液壓管路沖擊載荷作用的響應(yīng)情況。為保持分析的連續(xù)性，對(duì)于除沖擊載荷以外的其他非動(dòng)態(tài)載荷也采用瞬態(tài)斜坡載荷的加載方式，由于所有載荷都是按時(shí)間段分別施加的，對(duì)計(jì)算結(jié)果及評(píng)估分析沒有影響，加載過程如下:1)端面法蘭對(duì)硫化橡膠減振件的安裝預(yù)緊;2)管路內(nèi)加載內(nèi)壓力;3)通艙管件管子的一端受到瞬態(tài)沖擊。

彈性密封件左、右片的密封壓力曲線分別如圖7中的B，A曲線所示，該工況下的穩(wěn)定密封壓力為0.75 MPa，能夠滿足自密封的要求。

硫化橡膠減振件及管件其它剛性部件截面上平均壓力分布情況如圖8所示，艙壁上某節(jié)點(diǎn)處的振動(dòng)加速度曲線如圖9所示，其數(shù)量級(jí)為104m/s2。

圖8 穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力分布圖Fig.8 Stress envelope in steady state

圖9 艙壁上某節(jié)點(diǎn)處的振動(dòng)加速度曲線Fig.9 Accelerating curve of a node on bulkhead

2.4 與剛性通艙管件減振性能的對(duì)比

為了對(duì)比使用隔振通艙管件和使用普通剛性連接的通艙管件時(shí)艙壁對(duì)沖擊載荷的響應(yīng)情況，對(duì)相同規(guī)格的管件直接焊接在艙壁上受到相同的沖擊載荷的響應(yīng)情況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的邊界條件和載荷也不變。

在受到同樣的沖擊載荷作用時(shí)，艙壁上同一節(jié)點(diǎn)處的振動(dòng)加速度曲線如圖10所示，其數(shù)量級(jí)為106m/s2。

為了能在研究試驗(yàn)階段就能更加直觀地對(duì)隔振通艙管件的隔振性能進(jìn)行評(píng)估，選用插入損失作為評(píng)價(jià)指標(biāo)［5］，其計(jì)算公式為:

圖10 艙壁上某節(jié)點(diǎn)處的振動(dòng)加速度曲線Fig.10 Accelerating Curve of a Node on Bulkhead

其中:A1為與剛性通艙件相連的艙壁處的徑向振動(dòng)加速度響應(yīng);A0為與隔振通艙件相連的艙壁處的徑向振動(dòng)加速度響應(yīng)。

使用隔振通艙管件后，在相同的沖擊載荷作用下艙壁上同一點(diǎn)處的振動(dòng)加速度級(jí)由106m/s2下降到了104m/s2，插入損失為IL=20 lg(A1/A0)=40 dB，隔振通艙管件的隔振效果明顯。

綜上，通過對(duì)隔振通艙管件建立有限元分析模型，并施加模擬實(shí)船液壓管路沖擊的激勵(lì)載荷，對(duì)管件的減振和密封性能進(jìn)行的數(shù)值仿真結(jié)果表明通艙管件能滿足實(shí)船使用自密封的要求，隔振的效果明顯。

3 結(jié)語

隔振通艙管件應(yīng)用于液壓系統(tǒng)管路的穿艙部位，是在液壓系統(tǒng)的傳遞途經(jīng)上減小其振動(dòng)向系統(tǒng)外傳遞的有效手段。所采用的基于顯式動(dòng)力學(xué)理論的計(jì)算方法，克服了基于線性計(jì)算模型的計(jì)算方法對(duì)材料的非線性以及接觸非線性計(jì)算的不利之處，有效地模擬了在非線性情況下結(jié)構(gòu)對(duì)激勵(lì)載荷的響應(yīng)，為管件在沖擊載荷作用下的時(shí)域響應(yīng)仿真研究提供有效的技術(shù)支撐。

［1］李建宇.液壓系統(tǒng)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生原因分析［J］.液壓與氣動(dòng)，2006，5:76 －78.LI Jian-yu.Cause of the vibration noise analysis in the hydraulic system［J］.Hydraulic and Pneumatic，2006，5:76－78.

［2］江國河.艦船機(jī)械設(shè)備沖擊隔離技術(shù)研究進(jìn)展［J］.船舶力學(xué)，2006，2:135 －144.JIANG Guo-he.Research progress on ship machinery shock isolation technique［J］.Journal of Ship Mechanics，2006，2:135－144.

［3］李耀中.噪聲控制技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.LI Yao-zhong.Noise control technology［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2001.

［4］李裕春，石黨勇，趙遠(yuǎn).ANSYS10.0 LS-dyna基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐［Z］.2006.LI Yu-chun，SHI Dang-yong，ZHAO Yuan.Basic theory and engineering practice on ANSYS 10.0 LS-dyna［Z］.2006.

［5］嚴(yán)濟(jì)寬，沈榮瀛.沖擊隔離及沖擊減震器設(shè)計(jì)研究［Z］.上海:上海交通大學(xué)，1995.YAN Ji-kuan，SHEN Rong-ying.Shock isolation and design and research on shock absorber［Z］.Shanghai:Shanghai Jiao Tong University，1995.

［6］徐世勤，王檣.工業(yè)噪聲與振動(dòng)控制［Z］.北京:冶金工業(yè)出版社，1999.XU Shi-qin，WANG Qiang.Industrial noise and vibration control［Z］.Beijing:Metallurgical Industry Press，1999.

［7］CHANDRA S N，HARWAL H，MALLIK A K.Perfomance of nonlinear isolators and absorbers to shock excitations［J］.Journal of Sound and Vibration，1999，227(2):293－307.

［8］BALANDIN D V，BOLOTNIK N N，PILKEY W D.Optimal protection from impact，shock and vibration［M］.Gordon and Breach，NJ，1999.