船舶基座中復(fù)合減振結(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究

劉林波，溫華兵，吳晨暉，王 濤

(江蘇科技大學(xué)振動(dòng)噪聲研究所，江蘇鎮(zhèn)江650118)

0 引言

隨著艦船的隱身性越來(lái)越受到重視，基座作為連接機(jī)械設(shè)備和船體的橋梁，在要求其剛性承載的同時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能［1］也越來(lái)越重視。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開展了大量的研究，由于涉及到軍事問(wèn)題，國(guó)外的文獻(xiàn)往往很少;國(guó)內(nèi)開展研究則較遲，但也取得了顯著的成果［1－5］。李江濤［1］設(shè)計(jì)了復(fù)合結(jié)構(gòu)基座并研究了其隔振效果。呂林華［2］在文獻(xiàn) ［1］的基礎(chǔ)上研究了鋼－復(fù)合材料組合基座的設(shè)計(jì)方法，指出組合基座比鋼質(zhì)基座具有更好的隔振效果。隔離振動(dòng)的有效方法是在振動(dòng)能量傳遞途徑上對(duì)其吸收和使其反射，其實(shí)質(zhì)就是使結(jié)構(gòu)不連續(xù)、阻抗發(fā)生突變和非結(jié)構(gòu)材料吸收消耗部分能量，進(jìn)而達(dá)到減振降噪目的［6］。本文對(duì)傳統(tǒng)鋼質(zhì)基座設(shè)計(jì)粘貼粘彈性復(fù)合材料、插入空心阻振結(jié)構(gòu)及在空心結(jié)構(gòu)中填充顆粒所構(gòu)成的復(fù)合減振方案，采用實(shí)驗(yàn)研究復(fù)合減振結(jié)構(gòu)在基座結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的減振效果。

1 基座實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨?/h2>

基座由面板、肋板和3塊腹板組成，底板為雙向加筋板，橫向4根、縱向3根，基座的面板尺寸為420 mm×87 mm×5 mm，肋板尺寸為420 mm×230 mm×5 mm，3塊腹板上、下邊長(zhǎng)分別為77 mm，200 mm，厚5 mm。在基座面板取兩點(diǎn)作為激勵(lì)點(diǎn)，激勵(lì)點(diǎn)A位于腹板上方面板位置，激勵(lì)點(diǎn)B位于兩腹板之間的面板中心位置，在底板上基座四周對(duì)應(yīng)布置4個(gè)加速度響應(yīng)測(cè)點(diǎn)，如圖1和圖2所示。粘彈性復(fù)合材料為5 mm厚微孔發(fā)泡丁基橡膠［7］，空心阻振結(jié)構(gòu)為邊長(zhǎng)60 mm、壁厚4 mm的方形空心型鋼，填充的顆粒為直徑1 mm鐵砂。為研究復(fù)合減振結(jié)構(gòu)對(duì)基座結(jié)構(gòu)的減振效果，設(shè)計(jì)了6種振動(dòng)實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

圖2 基座振動(dòng)傳遞實(shí)驗(yàn)Fig.2 Vibration transfer experiment of the pedestal

表1 基座結(jié)構(gòu)減振方案Tab.1 Vibration reduction methods of the pedestal

2 基座結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞分析

采用加速度導(dǎo)納描述基座結(jié)構(gòu)在單位力激勵(lì)下所引起的振動(dòng)加速度響應(yīng)，加速度導(dǎo)納越大，說(shuō)明基座結(jié)構(gòu)傳遞的振動(dòng)響應(yīng)越大。加速度導(dǎo)納定義如下:

式中a為基座下方船體結(jié)構(gòu)上的加速度 (基準(zhǔn)值為10－6m/s2);F為基座面板上的激勵(lì)點(diǎn)激振力。

一般情況下，機(jī)械設(shè)備都是通過(guò)減振器固定在基座上，將減振器安裝在激勵(lì)點(diǎn)B與兩腹板之間，而研究成果［8］表明當(dāng)減振器安裝在腹板上方時(shí)，可以更好地減少基座振動(dòng)的傳遞。為了研究激振力在基座面板上作用點(diǎn)對(duì)振動(dòng)傳遞的影響，實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了各方案中的原點(diǎn)導(dǎo)納特性。原點(diǎn)導(dǎo)納的大小說(shuō)明了相同激勵(lì)力所引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的容易程度，原點(diǎn)導(dǎo)納越大，越容易引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)。圖3給出了方案1和方案3中的原點(diǎn)加速度導(dǎo)納，可以看出，不同激勵(lì)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的原點(diǎn)導(dǎo)納呈交替狀態(tài)，總體隨頻率的增大而增大，在方案1中，低于630 Hz頻率范圍內(nèi)，激勵(lì)點(diǎn)A時(shí)原點(diǎn)導(dǎo)納較大，高于630 Hz頻率范圍內(nèi)，激勵(lì)點(diǎn)B時(shí)原點(diǎn)導(dǎo)納較大;在方案3中，低于250 Hz頻率范圍內(nèi)，不同激勵(lì)點(diǎn)原點(diǎn)導(dǎo)納基本一致，高于250 Hz頻率范圍內(nèi)，激勵(lì)點(diǎn)B原點(diǎn)導(dǎo)納更大。

在基座上粘貼阻尼層，對(duì)中高頻段振動(dòng)能夠起到顯著的減振效果［5］;空心阻振結(jié)構(gòu)是一種特殊的阻振質(zhì)量，其阻振頻率范圍也主要作用于中高頻段［9］。由于在中高頻段內(nèi)激勵(lì)點(diǎn)A的原點(diǎn)導(dǎo)納較小，更有利于基座結(jié)構(gòu)的減振，本文著重對(duì)比了不同實(shí)驗(yàn)方案下激勵(lì)點(diǎn)A時(shí)的基座結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞特性。

2.1 單一減振方案的減振效果

圖3 不同激勵(lì)點(diǎn)原點(diǎn)加速度導(dǎo)納Fig.3 Drive point acceleration admittance of different incentive points

圖4 基座阻尼處理后振動(dòng)加速度導(dǎo)納Fig.4 Vibration acceleration admittance with pasting viscoelastic damping layer

在金屬板結(jié)構(gòu)上面粘貼阻尼層，構(gòu)成阻尼結(jié)構(gòu)，由金屬板結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)度和剛度，由粘彈性阻尼材料提供阻尼，可提升結(jié)構(gòu)損耗因子，有利于振動(dòng)能量的耗散，從而達(dá)到減振降噪的目的。丁基橡膠是一種阻尼性能優(yōu)異的粘彈性阻尼材料，微孔發(fā)泡技術(shù)提升了其阻尼性能［10］，在方案2中基座腹板和肋板單側(cè)粘貼了5 mm厚度微孔發(fā)泡丁基橡膠。如圖4所示為測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)4的加速度導(dǎo)納，在0～500 Hz頻率范圍基座結(jié)構(gòu)的振動(dòng)略有降低，高于500 Hz頻率的導(dǎo)納值衰減較明顯，最大值約10 dB。粘貼阻尼層后，在分析頻率范圍內(nèi)測(cè)點(diǎn)1的總導(dǎo)納衰減量最少，為3.33 dB，而測(cè)點(diǎn)4的總導(dǎo)納值衰減最大，達(dá)到8.9 dB。

傳統(tǒng)的阻振質(zhì)量往往采用實(shí)心方鋼、圓鋼等大質(zhì)量結(jié)構(gòu)，插入在薄殼中加劇結(jié)構(gòu)阻抗失配，振動(dòng)波發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，從而阻抑振動(dòng)波在中高頻段的傳遞。空心阻振結(jié)構(gòu)是一種特殊的阻振質(zhì)量［9］，在具有整體質(zhì)量剛性阻振的同時(shí)，振動(dòng)波還在空心結(jié)構(gòu)薄壁中沿不同路徑及轉(zhuǎn)角處傳遞而產(chǎn)生更多的振動(dòng)衰減。將空心阻振結(jié)構(gòu)焊接插入在基座腹板、肘板中，圖5為插入空心阻振結(jié)構(gòu)后不同測(cè)點(diǎn)的加速度導(dǎo)納，結(jié)果顯示振動(dòng)并沒(méi)有衰減，反而有所增加，測(cè)點(diǎn)2的增益較小，為4.38 dB，而測(cè)點(diǎn)3的增益明顯，達(dá)到了9.7 dB?？招淖枵窠Y(jié)構(gòu)的插入加劇了基座結(jié)構(gòu)的阻抗失配，但是也增加了基座整體剛度，同時(shí)由于焊接等加工工藝原因，基座下方船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反而有所增強(qiáng)，這說(shuō)明在基座結(jié)構(gòu)中插入空心阻振結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)傳遞的影響較為復(fù)雜，還需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［11］。

圖5 插入空心阻振結(jié)構(gòu)后振動(dòng)加速度導(dǎo)納Fig.5 Vibration acceleration admittance with inserting hollow blocking mass structure

2.2 復(fù)合減振方案的減振效果

在基座結(jié)構(gòu)上粘貼阻尼層，振動(dòng)傳遞得到不同程度衰減;插入空心阻振結(jié)構(gòu)后雖然加劇了基座結(jié)構(gòu)的阻抗失配，但是振動(dòng)并沒(méi)有得到衰減，甚至有所增強(qiáng)。因此，本文設(shè)計(jì)了多種復(fù)合減振方案，以對(duì)比研究對(duì)基座結(jié)構(gòu)的減振降噪效果。

在獨(dú)立的孔腔中填充顆粒，通過(guò)顆粒之間以及顆粒與腔體之間的摩擦和碰撞消耗系統(tǒng)能量，顆粒阻尼減振適合于抑制薄殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)減振降噪的目的。對(duì)空心阻振結(jié)構(gòu)整體而言，具有剛性阻振的性能，但其局部仍然是薄板結(jié)構(gòu)，將空心阻振結(jié)構(gòu)兩端封閉，填充1 mm直徑鐵砂顆粒，填充量為空心腔體體積的一半 (填充率50%)。圖6為復(fù)合方案中測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)4的振動(dòng)加速度導(dǎo)納。對(duì)比方案3和方案4可以看出，填充顆粒后在1.6kHz頻率范圍內(nèi)的加速度導(dǎo)納基本不變，而在更高頻率時(shí)隨著頻率的增加逐步衰減。填充顆粒后增加了阻振結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，有利于基座結(jié)構(gòu)的阻振，同時(shí)由于顆粒與阻振結(jié)構(gòu)壁摩擦以及顆粒之間摩擦耗散了振動(dòng)能量，從而增加了基座結(jié)構(gòu)的減振效果。

圖6 復(fù)合減振方案后振動(dòng)加速度導(dǎo)納Fig.6 Vibration acceleration admittance with composite vibration reduction structure

阻振結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是使振動(dòng)波在阻振結(jié)構(gòu)處發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，僅僅將振動(dòng)能量進(jìn)行了重新分配，對(duì)于總體振動(dòng)能量影響不大;粘彈性阻尼材料可增加結(jié)構(gòu)損耗因子，增加結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量的耗散量?；Y(jié)構(gòu)中插入阻振結(jié)構(gòu)后，再粘貼5 mm厚微孔發(fā)泡丁基橡膠，構(gòu)成復(fù)合減振方案，有利于基座結(jié)構(gòu)的減振。對(duì)于測(cè)點(diǎn)2，對(duì)比方案3和方案5可看出，粘貼阻尼層后在低于200 Hz頻率范圍內(nèi)基本無(wú)減振效果，在高于200 Hz頻率范圍內(nèi)減振效果逐漸明顯，在4 kHz頻率處減振效果最大，約10.5 dB。方案6在方案5的基礎(chǔ)上，在阻振結(jié)構(gòu)中填充顆粒 (填充率50%)，其減振效果更加明顯，尤其是在中高頻段，相對(duì)于方案3時(shí)基座結(jié)構(gòu)的最大減振效果達(dá)到20 dB，相對(duì)于減振前基座結(jié)構(gòu) (方案1)的總體減振效果達(dá)到了14.05 dB。

2.3 減振方案的減振效果對(duì)比分析

在基座結(jié)構(gòu)上粘貼阻尼材料，增加結(jié)構(gòu)損耗因子，是一種行之有效的減振方式;在基座中插入空心阻振結(jié)構(gòu)，能夠滿足對(duì)基座的剛性要求，又增加了基座的阻抗失配，也能起到一定的減振作用;在缺乏優(yōu)化設(shè)計(jì)的情況下，插入阻振結(jié)構(gòu)不僅不能減振，振動(dòng)反而可能會(huì)有所增強(qiáng)。相對(duì)于減振前 (方案1)，表2所示為各減振方案的減振效果，在基座結(jié)構(gòu)中采取減振方案6具有顯著的減振效果，不同測(cè)點(diǎn)減振效果分別達(dá)到了10.12 dB，14.05 dB，11.20 dB，13.06 dB。因此，將單一減振方式結(jié)合起來(lái)構(gòu)成復(fù)合減振結(jié)構(gòu)，可起到較好的綜合減振效果。

表2 各減振方案的減振效果對(duì)比 (單位:dB)Tab.2 Comparison of vibration reduction effect of vibration reduction methods

3 結(jié)語(yǔ)

采用振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究了基座結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞特性，指出將激勵(lì)力加載在基座腹板上方面板處有利于基座結(jié)構(gòu)的減振。

基座結(jié)構(gòu)多種減振方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明:單一地在基座結(jié)構(gòu)上粘貼微孔發(fā)泡丁基橡膠粘彈性阻尼材料，在分析頻率內(nèi)可有效降低基座結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度導(dǎo)納，最大衰減值達(dá)到近10 dB;單一地將空心阻振結(jié)構(gòu)插入基座中的減振方案，振動(dòng)傳遞反而可能會(huì)有所增加;將多種減振方案進(jìn)行復(fù)合，構(gòu)成復(fù)合減振結(jié)構(gòu)可以大大提升基座結(jié)構(gòu)的減振效果，對(duì)于粘貼阻尼層、插入空心阻振結(jié)構(gòu)、在阻振結(jié)構(gòu)中填充顆粒阻尼的復(fù)合減振方案，減振效果可達(dá)到14.05 dB。

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