基座阻尼敷設(shè)方式對(duì)柱殼振動(dòng)及聲輻射的影響

謝天宇，邵云生，吳文偉

(1.海軍駐無錫地區(qū)軍事代表室，江蘇無錫214000;2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七○二研究所，江蘇無錫214000)

基座阻尼敷設(shè)方式對(duì)柱殼振動(dòng)及聲輻射的影響

謝天宇1，邵云生1，吳文偉2

(1.海軍駐無錫地區(qū)軍事代表室，江蘇無錫214000;2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七○二研究所，江蘇無錫214000)

利用有限元/邊界元法分析加肋柱殼受激后的水下聲輻射,對(duì)比約束阻尼對(duì)裸基座振動(dòng)特性的影響,基座敷設(shè)阻尼材料前后殼體輻射聲場(chǎng)的變化以及約束阻尼敷設(shè)面積和位置對(duì)圓柱殼振動(dòng)及聲輻射特性的影響。結(jié)果表明,敷設(shè)約束阻尼能有效降低加肋圓柱殼體及其內(nèi)部基座的輻射噪聲,合理地選擇敷設(shè)面積和位置可以有效地降低圓柱殼振動(dòng)及聲輻射。

加肋圓柱殼體;基座;阻尼;振動(dòng)聲輻射;有限元/邊界元

加肋圓柱殼是艦艇艙段的主要結(jié)構(gòu)形式,而基座是艦艇內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)。因?yàn)榕炌?nèi)部空間有限、環(huán)境惡劣,所以經(jīng)常采用阻尼材料敷設(shè)在基座上,形成阻尼層合板,來損耗設(shè)備向艇體傳遞的振動(dòng)能量。如何選擇合適的敷設(shè)方式,可以最有效地降低設(shè)備向基座傳遞的振動(dòng)顯得尤為重要。國內(nèi)外就阻尼材料對(duì)加肋圓柱殼振動(dòng)及其激起的水下聲輻射影響進(jìn)行了較充分的研究,但關(guān)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的阻尼減振效能研究較少［1-6］。阻尼隔振在艦艇內(nèi)部結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛,但優(yōu)化布置阻尼材料的相關(guān)研究較缺乏。為此,在借鑒前人研究基礎(chǔ)上,利用有限元和邊界元方法,以內(nèi)含平臺(tái)基座的加肋圓柱殼為研究對(duì)象,分析比較基座在敷設(shè)粘彈性材料前后,其殼體結(jié)構(gòu)在水中的振動(dòng)和聲輻射性能的變化;討論阻尼層敷設(shè)面積和敷設(shè)位置對(duì)圓柱殼振動(dòng)及水下聲輻射的影響。

1 基本理論

1.1 阻尼粘彈性材料的基本理論

阻尼粘彈性材料具有儲(chǔ)能和耗能兩種特性,其彈性模量可用復(fù)模量模型表示:

式中:E′,E"——E*的實(shí)部和虛部。

式中:ro——最大剪切應(yīng)變幅值;

G′——剪切模量實(shí)部。

利用粘彈性阻尼材料的儲(chǔ)能和耗能特性實(shí)現(xiàn)艦艇機(jī)械設(shè)備的減振降噪。

1.2 有限元/邊界元理論

1.2.1 流固耦合有限元方程

在分析內(nèi)部載荷作用下的水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題時(shí),其彈性結(jié)構(gòu)和聲介質(zhì)的耦合振動(dòng)方程為［7］

式中:［Mf］,［Cf］,［Kf］——流體等效質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣;

［Ms］,［Cs］,［Ks］——結(jié)構(gòu)質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣;

［R］——流固耦合矩陣;

{U},{P}——結(jié)構(gòu)位移矢量、聲壓矢量;

{Fs}——結(jié)構(gòu)載荷力向量。

1.2.2 邊界元公式

對(duì)于結(jié)構(gòu)體表面光滑的單頻聲場(chǎng),聲場(chǎng)方程可以表達(dá)成Helmholtz積分方程。

式中:E,S,I——結(jié)構(gòu)的外部、表面和內(nèi)部;

其中:k——波數(shù);

R=|P-Q|;

vn——法向振速;

ω——圓頻率。

對(duì)式(4)利用邊界元法進(jìn)行離散,即可得到邊界元求解方程:

式中:A,B——系數(shù)矩陣。

利用ANSYS求解考慮流固耦合的振動(dòng)問題,可計(jì)算出加肋柱殼上所有節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)位移。

按照建模過程中設(shè)定的單元實(shí)常量的不同,取出外殼面上節(jié)點(diǎn)的位移。SYSNOISE程序可自動(dòng)將節(jié)點(diǎn)位移轉(zhuǎn)變成法向振速。按式(6)計(jì)算出外殼表面壓力,再求取外部場(chǎng)的聲學(xué)量。

2 數(shù)值計(jì)算和分析

2.1 計(jì)算模型

研究模型為浸沒在淺水中的有限長加筋圓柱殼,其內(nèi)部基座上敷設(shè)阻尼材料。圓柱殼的幾何參數(shù)見圖1所示。

圖1 加肋圓柱實(shí)驗(yàn)示意

基座鋼板厚度0.006 33 m、基板中心距圓柱殼中心0.4 m、基板尺寸0.6 m×0.41 m基板加強(qiáng)筋尺寸0.012 7 m×0.022 22 m。

2.2 算例驗(yàn)證

基于加肋圓柱殼水下受迫振動(dòng)及聲輻射,將有限元/邊界元法計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值［8］進(jìn)行對(duì)比(見圖2)。經(jīng)驗(yàn)證,兩者最大誤差小于5%。由對(duì)比分析結(jié)果可驗(yàn)證用有限元/邊界元法分析加肋圓柱殼振動(dòng)和水下聲輻射是真實(shí)可靠的。

圖2 聲壓指向性對(duì)比

2.3 基座約束阻尼層對(duì)加肋圓柱殼水下振動(dòng)及聲輻射的影響

采用有限元/邊界元數(shù)值解法計(jì)算基座受激振動(dòng)所引起的加肋圓柱殼體水下輻射噪聲?；皥A柱殼采用殼單元,材料為鋼,E=202 GPa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7 860 kg/m3、損耗因子為0.05;阻尼粘彈性層材料為橡膠,E=6.1 MPa、柏松比μ=0.49、密度ρ=1 000 kg/m3、阻尼系數(shù)η =0.5。

殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外流場(chǎng)網(wǎng)格見圖3,其中基座幾何和物理參數(shù)和2.1描述相同,圓柱殼見圖1,其中圓柱殼網(wǎng)格尺寸≤0.03 mm,流場(chǎng)網(wǎng)格尺寸≤0.3 mm,結(jié)構(gòu)外表面與吸聲面距離≥4 m。根據(jù)彎曲波理論,網(wǎng)格劃分符合工程計(jì)算要求。

圖3 殼體和流場(chǎng)網(wǎng)格

通過在基座平面中心處施加力,計(jì)算其諧響應(yīng),施加約束阻尼可得到對(duì)應(yīng)殼體輻射聲功率的頻譜圖,見圖4。

圖4 加肋圓柱殼體輻射聲功率

由圖4可知在200 Hz以內(nèi),基座所敷設(shè)的約束阻尼層前后,輻射聲功率級(jí)隨頻率變化曲線基本重合。模態(tài)分析表明,加肋圓柱殼在此頻率段為整體模態(tài),約束阻尼對(duì)振動(dòng)影響較小。在200 -500 Hz范圍內(nèi),出現(xiàn)局部振型,基座振動(dòng)明顯?；笤O(shè)阻尼粘彈性材料后,圓柱殼輻射聲功率級(jí)隨頻率變化曲線波動(dòng)減小,輻射聲功率級(jí)最多降低50 dB。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是敷設(shè)約束阻尼使得加肋圓柱殼體整體質(zhì)量增大,并吸收基座振動(dòng)能量,故其共振頻率降低,共振峰值發(fā)生前移。

2.4 阻尼層敷設(shè)面積對(duì)加肋圓柱殼聲輻射特性的影響

改變約束阻尼層敷設(shè)面積與基座面板面積的比值,分析不同阻尼覆蓋率對(duì)艦艇水下輻射噪聲的影響。

分別分析100%、50%和25%敷設(shè)面積的約束阻尼板與圓柱殼聲振特性的關(guān)系(敷設(shè)層與面板寬度相同,50%敷設(shè)層長度為面板的1/2,25%敷設(shè)層長度為面板的1/4),所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)輻射聲功率和面平均振速的見圖5、6。

圖5 輻射聲功率對(duì)比

對(duì)比發(fā)現(xiàn),100%敷設(shè)面積的加肋圓柱殼輻射聲功率和面平均振速并不是最小的。所以利用增大敷設(shè)區(qū)域的面積來獲得顯著的噪聲降低的方式通常是不必要的。結(jié)果顯示:180 Hz以內(nèi),不同敷設(shè)面積對(duì)柱殼聲振特性沒有影響,這是因?yàn)閳A柱殼以整體振動(dòng)為主;180～250 Hz范圍內(nèi),50%敷設(shè)面積和100%敷設(shè)面積的減振效果相同, 25%敷設(shè)面積的減振效果,優(yōu)于其他兩種;250～360 Hz范圍內(nèi),50%敷設(shè)面積的和100%敷設(shè)面積的減振效果相同,25%敷設(shè)面積的減振效果劣于其他兩種;360～500 Hz范圍內(nèi),25%敷設(shè)面積的減振效果優(yōu)于50%敷設(shè)面積的減振效果優(yōu)于100%敷設(shè)面積的減振效果。由此可見,根據(jù)實(shí)際情況,選擇適當(dāng)?shù)淖枘岱笤O(shè)面積,可以節(jié)約成本,減小空間的占用,同時(shí)可以提高減振效果。

圖6 面平均振速對(duì)比

2.5 阻尼材料敷設(shè)位置對(duì)加肋圓柱殼聲輻射特性的影響

約束阻尼結(jié)構(gòu)分別敷設(shè)在基座面板與腹板時(shí),圓柱殼的輻射聲功率和面平均振速見圖7、8。

圖7 輻射聲功率對(duì)比

圖8 面平均振速對(duì)比

結(jié)果顯示:180 Hz以內(nèi),面板敷設(shè)約束阻尼和腹板敷設(shè)約束阻尼所對(duì)應(yīng)圓柱殼的輻射聲功率和面平均振速相同,此時(shí)圓柱殼以整體振動(dòng)為主,基座振動(dòng)占整體振動(dòng)的權(quán)重較小。180～280 Hz范圍內(nèi),面板敷設(shè)比腹板敷設(shè)所對(duì)應(yīng)的圓柱殼的輻射聲功率和面平均振速更高;280～420 Hz范圍內(nèi),面板敷設(shè)比腹板敷設(shè)所對(duì)應(yīng)的圓柱殼輻射聲功率和面平均振速更低;420～500 Hz范圍內(nèi),面板敷設(shè)比腹板敷設(shè)所對(duì)應(yīng)的圓柱殼輻射聲功率和面平均振速更高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是約束阻尼結(jié)構(gòu)主要依靠剪切耗能,圓柱殼基座面板和腹板的振形不同,所對(duì)應(yīng)敷設(shè)在面板和腹板上的約束阻尼結(jié)構(gòu)的耗能也不同,故對(duì)應(yīng)圓柱殼的輻射聲功率和面平均振速也不相同。

3 結(jié)論

1)敷設(shè)約束阻尼對(duì)基座降低輻射聲功率效果明顯,為艦艇內(nèi)部減振降噪,改善艇內(nèi)人員的生活環(huán)境提供了有效方法。

2)在接近基座局部模態(tài)頻率后,約束阻尼可以有效吸收基座振動(dòng)能量,從而降低基座傳遞給圓柱殼體的振動(dòng),減小其向外輻射的水下噪聲。由于約束阻尼使固有頻率提前,所以在設(shè)備和基座之間安裝約束阻尼時(shí),應(yīng)盡量考慮設(shè)備的固有頻率或正常工況的激勵(lì)頻率,使約束阻尼的隔振性能得到最好的發(fā)揮。

3)對(duì)基座面板敷設(shè)100%面積的約束阻尼層既增加了成本又不能達(dá)到最優(yōu)的減振效果。機(jī)械設(shè)備與基座之間可以既采用約束阻尼隔振裝置又采用剛性連接限位裝置,這樣不僅可以保障動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各設(shè)備間安全、高效、穩(wěn)定的運(yùn)行,又能使約束阻尼隔振器發(fā)揮更優(yōu)的減振效果。

4)約束阻尼在其剪切方向的減振吸能效果最好,在敷設(shè)約束阻尼材料時(shí),應(yīng)考慮實(shí)際工況中基座的主要振動(dòng)方式,選擇合適的敷設(shè)位置,使基座的主要振動(dòng)方向位于約束阻尼面的切向,達(dá)到最理想的減振降噪效果。

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On Influence of Coated Damping Layer for Foundation upon the Vibration and Sound Radiation of Cylindrical Shells

XIE Tian-yu1,SHAO Yun-sheng1,WU W en-wei2
(1 Naval Dept.of Representative in Wuxi,Wuxi Jiangsu 214000,China; 2 The 702th Research Institute of CSIC,Wuxi Jiangsu 214000,China)

The FEM and BEM are used to simulate the sound radiation for a submerged cylindrical stiffened shell.The influences of the coatingmethods of constrained damping layer on the foundation upon the vibration characteristics and the underwater sound radiation of the stiffened cylindrical shells are analyzed.The numerical results show that the constrained damping layer can reduce the inner noise effectively;and choosing the constrained damping layer's cover and location reasonably can reduce the vibration and sound radiation of cylindrical shellswell.

cylindrical stiffened shells;foundation;damping;vibration;sound radiation;FEM/BEM

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.013

U661.44

A

1671-7953(2015)03-0054-04

2014-12-03

修回日期:2015-02-13

工信部聯(lián)裝項(xiàng)目資助(［2012］533-6)

謝天宇(1987-),男,碩士,助理工程師

研究方向:艦艇結(jié)構(gòu)振動(dòng)及聲輻射

E-mail:xtyspace@126.com