磁流變阻尼器在船舶減振中的應(yīng)用

朱永凱，時(shí)光志，夏華波，楊 波，呂瑞升

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津300452)

磁流變阻尼器在船舶減振中的應(yīng)用

朱永凱，時(shí)光志，夏華波，楊 波，呂瑞升

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津300452)

在傳統(tǒng)減振元件基礎(chǔ)上配合使用磁流變阻尼器構(gòu)成新型船舶智能減振系統(tǒng)。介紹該系統(tǒng)的減振原理，并根據(jù)其特定工作環(huán)境對(duì)其在實(shí)船中的鏈接形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過數(shù)值分析結(jié)果與減振理論分析趨勢(shì)的對(duì)比，分析數(shù)值仿真方法在船舶減振領(lǐng)域應(yīng)用的有效性和可行性。

磁流變?cè)O(shè)備;船舶減振;有限元

0 引言

船舶上常用的減振設(shè)備主要為彈性減振元件，如彈簧、橡膠墊等，這些減振元件通過彈簧或橡膠在運(yùn)動(dòng)過程中的能量耗散來抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)。此類減振設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)、可靠等優(yōu)點(diǎn)，但由于其結(jié)構(gòu)參數(shù)是在某一特定環(huán)境最優(yōu)化設(shè)定的，而該參數(shù)一經(jīng)設(shè)定就無法改變，缺乏控制上的靈活性。單純依靠船體結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和剛度或常規(guī)的減振元件來降低船上設(shè)備引起的振動(dòng)干擾不合適。因此，研究和探尋合理、經(jīng)濟(jì)而有效的船舶結(jié)構(gòu)減振設(shè)備，對(duì)于提高船舶振動(dòng)控制水平具有重要的理論和實(shí)際意義。

船舶減振設(shè)備應(yīng)當(dāng)具有簡(jiǎn)便、安全、成本低廉的特點(diǎn)?，F(xiàn)階段大量新技術(shù)和新材料的涌現(xiàn)，為船舶減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了條件，因此有必要對(duì)船舶減振設(shè)備進(jìn)行研究，以獲得合適的減振措施。

磁流變阻尼器是一種發(fā)展迅速，性能優(yōu)良的減振設(shè)備，已在汽車、機(jī)械裝置、橋梁以及土木建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，部分產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程，展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，但在船舶減振方面的研究還處于起步階段。因此，研究和探索磁流變阻尼器在船舶減振系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)于提高船舶減振水平，特別是提高船舶的生命力和戰(zhàn)斗力具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 磁流變阻尼器減振系統(tǒng)的減振原理

為了說明磁流變阻尼器的減振原理，以單層減振系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。

1.1 單層減振系統(tǒng)

設(shè)備與基礎(chǔ) (或稱基座)之間通過具有較大彈性的減振元件支撐，而非剛性相連，則設(shè)備、基礎(chǔ)與具有較大彈性的減振元件所組成的系統(tǒng)就稱為減振系統(tǒng)。下面以單層積極減振系統(tǒng)［1］進(jìn)行說明，如圖1所示。

圖1 單層減振系統(tǒng)Fig.1 Single layer vibration isolation system

以質(zhì)量塊的靜力平衡位置為原點(diǎn)，建立圖示坐標(biāo)x(t)，對(duì)圖1中的質(zhì)量塊 (主機(jī)或機(jī)械設(shè)備)進(jìn)行受力分析。

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理求出質(zhì)量塊的平衡方程式，則積極隔振系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為

式中F(t)=Acosωt，A為機(jī)械設(shè)備的振幅，則

當(dāng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過減振器傳至基礎(chǔ)的力由2部分組成：一是彈簧力，幅值為kx;二是阻尼力，幅值為，即

二者合力的幅值等于：

式中T為力傳遞率，定義為傳遞至基礎(chǔ)的力與激勵(lì)力之比，即

根據(jù)式(5)所列出的等式，可以得到力傳遞系數(shù)T隨頻率比ω/ωn變化的曲線，如圖2所示。

圖2 傳遞率T隨頻率比ω/ωn變化曲線Fig.2 Transfer rate increases with the frequency ratio curve

1.2 磁流變阻尼器的減振原理

從圖2可以看出，振動(dòng)系統(tǒng)傳遞率變化曲線隨阻尼率的變化而變化，阻尼率的變化主要從以下2個(gè)方面改變傳遞率的變化：

1)阻尼率不同，共振峰所對(duì)應(yīng)的頻率比不同，說明可以通過調(diào)節(jié)阻尼率，改變共振峰處的頻率;

通過上面的分析可知，改變傳遞率可以通過2個(gè)角度來考慮。傳遞率愈小意味著減振效果愈好，通過調(diào)節(jié)磁流變阻尼器降低振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞率，就是我們研究的目的。

磁流變阻尼器的減振原理是通過調(diào)節(jié)阻尼器阻尼的大小來對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)磁流變阻尼器的阻尼應(yīng)滿足以下2點(diǎn)：首先，應(yīng)該避免振動(dòng)發(fā)生在共振附近區(qū)域;其次，激振力頻率與系統(tǒng)固有頻率之比小于時(shí)，應(yīng)增大減振系統(tǒng)的阻尼率，而在激振力頻率與系統(tǒng)固有頻率之比大于時(shí)，應(yīng)減小減振系統(tǒng)的阻尼率。

2 磁流變阻尼器減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

將磁流變阻尼器應(yīng)用到船舶減振系統(tǒng)中［2］的主要目的是解決現(xiàn)有船舶減振元件的低頻線譜減振問題。具體解決途徑是在傳統(tǒng)減振元件基礎(chǔ)上并聯(lián)智能出力元件構(gòu)成新型船舶智能減振系統(tǒng)，使智能船舶減振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性由固定不變轉(zhuǎn)變成智能可控的，使得減振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性可以根據(jù)激勵(lì)和響應(yīng)的情況自主調(diào)節(jié)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)目的。船舶智能減振系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 船舶智能減振系統(tǒng)示意圖Fig.3 Intelligent vibration damping system diagram

本文使用具有高彈性變形特性的鋼絲繩減振器和橡膠減振器，分別與阻尼力可控的磁流變阻尼器進(jìn)行設(shè)計(jì)船舶智能減振系統(tǒng)。

2.1 設(shè)計(jì)的基本依據(jù)

為了對(duì)磁流變阻尼器應(yīng)用于船舶減振系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須知道下列原始數(shù)據(jù)［3］：

1)設(shè)備的重量;

2)設(shè)備的脆值，即設(shè)備失效或失靈時(shí)所能承受的振動(dòng)量;

3)原有減振設(shè)備條件下的振動(dòng)特性，即減振設(shè)備剛度和阻尼。

2.2 磁流變阻尼器減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

磁流變阻尼器減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［3－4］是根據(jù)已知條件，選擇磁流變阻尼器的個(gè)數(shù)，通過適當(dāng)?shù)倪B接形式與原有減振元件配合使用，降低設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)量，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。具體步驟如下：

1)通過測(cè)試和分析有關(guān)方面提供的資料，確定被減振設(shè)備允許的振動(dòng)量的大小和頻率范圍;

2)確定所設(shè)計(jì)的減振系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的減振系數(shù)值;

3)根據(jù)要求的減振系數(shù)值，由相應(yīng)公式計(jì)算出頻率比以及相應(yīng)的阻尼比;

4)由阻尼比和原減振系統(tǒng)的剛度確定磁流變阻尼器的選取和布置形式;

在選用阻尼器時(shí)，需要全面考慮減振設(shè)計(jì)的要求，不僅保證有較高的減振效率，同時(shí)要盡可能做到使用壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性高。

2.3 磁流變阻尼器的選擇與布置原則

合理布置磁流變阻尼器是船舶智能減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要環(huán)節(jié)之一［3］。合理布置磁流變阻尼器能夠有效地減少各個(gè)自由度振動(dòng)間的耦合，并使各個(gè)自由度的固有頻率接近，從而有利于提高減振效果。磁流變阻尼器布置時(shí)應(yīng)參照以下原則［5］：

1)阻尼器安裝在設(shè)備重心所在的平面內(nèi)。

2)阻尼器的布置對(duì)稱于設(shè)備的重心。

3)當(dāng)設(shè)備從某平衡位置沿坐標(biāo)軸平移一距離時(shí)，磁流變阻尼器對(duì)設(shè)備的作用力的合力應(yīng)通過設(shè)備的重心;當(dāng)設(shè)備繞某一坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，各阻尼器對(duì)設(shè)備的作用力的合成應(yīng)為一力偶，力偶作用平面垂直于該坐標(biāo)軸。

4)在同一個(gè)減振裝置中，盡可能地采用相同型號(hào)的阻尼器，根據(jù)重量及重心位置，力求各個(gè)阻尼器所承受的載荷相同。

5)當(dāng)設(shè)備的形狀和質(zhì)量不對(duì)稱，而采用不同型號(hào)的阻尼器時(shí)，應(yīng)使各阻尼器的支承點(diǎn)的變位一致，以保證減振裝置在振動(dòng)中處于水平狀態(tài)。

3 磁流變阻尼器實(shí)船連接形式設(shè)計(jì)

針對(duì)船體艙段中的具體基座結(jié)構(gòu)形式，對(duì)磁流變阻尼器在減振系統(tǒng)中的連接形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。將磁流變阻尼器連接到機(jī)座，再通過鉸接形式與振動(dòng)設(shè)備相連，磁流變阻尼器連接到機(jī)座與振動(dòng)設(shè)備之間，與傳統(tǒng)減振元件組成船舶智能減振系統(tǒng)，連接形式如圖4～圖5所示。

圖4 減振元件布置正視圖Fig.4 Vibration damping element is arranged front view

圖5 減振元件布置側(cè)視圖Fig.5 Vibration damping element is arranged side view

圖中構(gòu)件1為傳統(tǒng)減振元件，2為磁流變阻尼器。采用的連接形式將磁流變阻尼器安裝到機(jī)座與振動(dòng)設(shè)備之間，可以通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)來滿足安裝不同型號(hào)的阻尼器，使用時(shí)只需在原機(jī)座上去掉部分鋼板，就可將阻尼器安裝上。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，相對(duì)于直接將磁流變阻尼器安裝到基座更加方便，充分利用空間，便于船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 磁流變阻尼器減振系統(tǒng)的減振效果

將磁流變阻尼器應(yīng)用于船舶典型設(shè)備的減振系統(tǒng)中，船舶減振系統(tǒng)示意圖如圖3所示。通過數(shù)值分析，對(duì)比安裝磁流變阻尼器前后系統(tǒng)振動(dòng)位移變化，驗(yàn)證磁流變阻尼器在船舶減振應(yīng)用中的效果。

以Ansys軟件為平臺(tái)，建立船舶機(jī)艙艙段模型，并針對(duì)船舶典型設(shè)備的減振系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立艙段減振系統(tǒng)有限元［6］模型。整個(gè)模型由艙段、設(shè)備、減振系統(tǒng)和基座4部分組成。船體艙段為某型船的實(shí)際結(jié)構(gòu)，其板架、梁結(jié)構(gòu)分別由SHELL63和beam188來模擬，其尺寸與實(shí)際結(jié)構(gòu)大小一樣。設(shè)備采用質(zhì)量塊模擬，用solide45單元對(duì)其［7］建模;設(shè)備和基座之間采用傳統(tǒng)減振元件和磁流變阻尼器并聯(lián)進(jìn)行減振，其中傳統(tǒng)減振元件為4個(gè)，磁流變阻尼器為2根的情況，均采用spring－damper 14單元進(jìn)行模擬，建立減振設(shè)備的剛度和阻尼。整個(gè)基座由面板及腹板構(gòu)成，其中縱向腹板由2塊12 mm鋼板構(gòu)成;橫向鋼板由7塊10 mm鋼板構(gòu)成;基座水平面板厚30 mm。船體艙段減振系統(tǒng)的有限元模型如圖6所示。

圖6 船體艙段減振系統(tǒng)有限元模型Fig.6 Cabin vibration finite element model

通過諧響應(yīng)分析得出，不同輸入電流情況下，安裝磁流變阻尼器前后基座處振動(dòng)位移隨頻率比變化曲線如圖7和圖8所示。

圖中s為位移，f為激振力頻率。觀察圖中振動(dòng)系統(tǒng)位移隨頻率變化曲線可以看出，安裝磁流變阻尼器后，基座在頻率比小于范圍內(nèi)的位移明顯降低，說明可以通過安裝磁流變阻尼器來對(duì)設(shè)備振動(dòng)時(shí)頻率比小于范圍內(nèi)進(jìn)行有效的控制。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，隨輸入電流的增加對(duì)頻率比小于范圍內(nèi)位移降低的越大，說明可以通過調(diào)節(jié)磁流變阻尼器輸入電流的大小對(duì)設(shè)備振動(dòng)進(jìn)行有效的抑制。

圖7 基座振動(dòng)位移隨頻率變化曲線Fig.7 Seat vibration displacement as a function of frequency variation curve

圖8 基座振動(dòng)位移隨頻率變化曲線Fig.8 Seat vibration displacement as a function of frequency variation curve

數(shù)值分析結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致，說明數(shù)值仿真方法在船舶減振設(shè)計(jì)領(lǐng)域的有效性和可行性，同時(shí)驗(yàn)證磁流變阻尼器在船舶減振應(yīng)用中具有良好效果。

5 結(jié)語(yǔ)

首先在傳統(tǒng)減振元件基礎(chǔ)上并聯(lián)磁流變阻尼器構(gòu)成了新型船舶智能減振系統(tǒng)，詳細(xì)介紹此系統(tǒng)的減振原理，并根據(jù)其特定工作環(huán)境對(duì)其在實(shí)船中的連接形式進(jìn)行設(shè)計(jì);其次，數(shù)值分析結(jié)果與減振理論分析趨勢(shì)基本一致，說明數(shù)值仿真方法在船舶減振設(shè)計(jì)領(lǐng)域的有效性和可行性，同時(shí)驗(yàn)證了磁流變阻尼器在船舶減振應(yīng)用中具有良好效果。

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Magneto-rheological damper application research in the ship’s vibration control

ZHU Yong-kai，SHI Guang-zhi，XIA Hua-bo，YANG Bo，LV Rui-sheng
(CNOOC Energy Technology and Services-oil Production Services Co．，Tianjin 300452，China)

On the basis of traditional damping element using magneto-rheological damper constitutes a new intelligent vibration damping system，introduced the intelligent vibration damping system for damping principle，and link type is designed according to the particular work environment．Through the numerical analysis results and the theoretical analysis of the vibration trend comparison，analysis of numerical simulation method in ship vibration field application effectiveness and feasibility．

magneto-rheological equipment;ship vibration;finite element method

U664．6

A

1672－7649(2014)01－0079－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.01.016

2013－01－28;

2013－04－07

朱永凱(1982－)，男，碩士，工程師，主要從事海上油田裝備研發(fā)工作。