艦船典型基座輸入機(jī)械阻抗特性分析

朱成雷，魏 強(qiáng)，鄭超凡，翁章卓，馮愛景

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064)

0 引 言

在水面艦船三大噪聲源中，機(jī)械噪聲占有較大比重，因此合理的控制艦船動力設(shè)備的振動傳遞對提高水面艦船的聲隱身性能有重要意義［1-3］。艦船基座作為動力設(shè)備連接船體的結(jié)構(gòu)，也就成為了機(jī)械噪聲的重要的傳遞途徑［4］。隨著機(jī)械阻抗方法在結(jié)構(gòu)振動特性和聲傳遞規(guī)律方面的廣泛應(yīng)用，艦船基座的輸入機(jī)械阻抗一方面反映了對機(jī)械設(shè)備振動功率的阻絕能力，機(jī)械阻抗越大，傳遞給基座的振動能量就越小;另一方面為了減少對船體的輸入能量和降低艦船的振動噪聲，通常提高艦船基座的輸入機(jī)械阻抗是比較簡便和有效的途徑，因此基座結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗也就成為了工程上重要的隔振和聲學(xué)設(shè)計參數(shù)之一［5-9］。

本文以某型水面艦船為研究背景，研究了典型基座結(jié)構(gòu)各參數(shù)對輸入機(jī)械阻抗的影響，為工程中水面艦船的基座的設(shè)計及改進(jìn)提供一定的借鑒。

1 基座系統(tǒng)的阻抗理論分析

對于整個設(shè)備——隔振裝置——基座系統(tǒng)來說:

求解式(1)可得:

又因為基座的阻抗Zf遠(yuǎn)大于等效隔振器的輸出端阻抗ZIf，即Zf≥ZIf，故:

根據(jù)振級落差的定義式，可得:

將阻抗Zf和Zlmf用dB 形式表示，則式(3)可化為:

式中Z0為基準(zhǔn)阻抗;Z′f和ZImf′為采用dB 制的阻抗。

由式(4)可知在Zlmf不變的前提下，當(dāng)基座阻抗Zf增加1 dB 時:

由式(5)和式(6)可以得出:當(dāng)基座阻抗增加1 dB時，隔振系統(tǒng)的振級落差也將增加1 dB。因此提高艦船基座的阻抗特性對于減振降噪有重要意義。

2 典型基座阻抗特性值分析

雖然目前通過理論解析的方法來分析簡單結(jié)構(gòu)的阻抗特性非常準(zhǔn)確，但是對于一個稍微復(fù)雜點(diǎn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，就會變得非常困難，因此在工程實(shí)際中一般采用數(shù)值仿真的方法來分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的阻抗特性。本文采用有限元法研究典型臺式基座在中低頻段的輸入機(jī)械阻抗特性。

本艙段在某艦的基礎(chǔ)上經(jīng)過簡化而建立。船體艙段模型如圖2 所示，船體艙段長為13 m，船寬為20.4 m，艙段高度為14.6 m，基座長為1.3 m，寬為1.8 m，艙段左右對稱，各有一個基座。艙段共有3 層甲板和雙層底組成，甲板、雙層底和船體舷側(cè)均有肋骨和加強(qiáng)筋增加剛度和強(qiáng)度。其中甲板、舷側(cè)和雙層底由SHELL63 單元模擬，肋骨和桁架由BEAM188 單元模擬。船舶結(jié)構(gòu)在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu) (包括肋板、肘板、加強(qiáng)筋等)以及船體外表面均采用每個波長范圍有5 個節(jié)點(diǎn)(4 個單元)的網(wǎng)格劃分的原則，分析頻率為0 ～400 Hz。為保證數(shù)據(jù)精確，在計算機(jī)計算能力允許的范圍內(nèi)盡量細(xì)化網(wǎng)格，提高網(wǎng)格質(zhì)量。

圖1 典型的基座結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of a typical foundation

鋼為各向同性材料，參數(shù)為:楊氏模量E =2.1 ×1011Pa，泊松比γ =0.3，密度ρ = 7 860 kg/m3，損耗因子η = 0.02。

圖2 艙段結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure of ship section

2.1 面板厚度對基座機(jī)械阻抗的影響

采用上述艙段模型，基于數(shù)值方法通過改變艦船基座面板的厚度來進(jìn)行計算機(jī)械阻抗。其中設(shè)計的基座面板厚度為0.01 ～0.04 m，每隔0.002 m 計算1次，總共有16 種工況。圖3 為基座的輸入機(jī)械阻抗隨面板厚度的變化曲線。

圖3 加速度阻抗隨面板厚度變化圖Fig.3 Cure of acceleration impedance versus the thickness of plane

由圖3 可以看到，整體上艦船基座的加速度阻抗隨著頻率的增加是逐漸降低的。但在峰值處可能有所變化。另外隨著面板厚度的增加，艦船基座的加速度阻抗逐漸增加，其中在0 ～30 Hz 之間增加的幅度較小，約為10 dB，在30 Hz 之后，加速度阻抗增加值為之前的3 倍，約為30 dB。還可以看到，當(dāng)面板厚度增加到一定的程度時，加速度阻抗的增加值越來越少，這說明在保證面板最優(yōu)的利用效率時，基座面板也不是越厚越好，而是要綜合考慮各因素來進(jìn)行選擇。另外在35 Hz 時，可以看到，加速度阻抗值反而隨著面板厚度的增加而降低。在設(shè)計艦船基座時要避免此頻率與設(shè)備的激勵頻率相重合。因為在此頻率處，面板厚度越大，阻抗越小，設(shè)備傳遞給船體的輸入功率就越大，不利于提高艦船的聲隱身性能。

2.2 腹板厚度對基座機(jī)械阻抗的影響

共選用0.006 m，0.008 m，0.01 m，0.012 m，0.014 m，0.016 m 和0.018 m 六種不同厚度的基座腹板類型，來進(jìn)行基座加速度輸入阻抗的計算。圖4 為加速度阻抗隨腹板厚度變化圖。

圖4 加速度阻抗隨腹板厚度變化圖Fig.4 Cure of acceleration impedance versus the thickness of web

由圖4 可看到，整體上基座的加速度輸入機(jī)械阻抗隨腹板厚度的增加先降低后升高，和基座面板的影響一樣，加速度阻抗的升高幅度越來越小。0 ～30 Hz之間，加速度阻抗因腹板厚度變化而變化的較小，只有1 dB，而隨頻率的增加，變化范圍增加到5 dB。另外在峰值頻率處，腹板厚度越大，阻抗值不一定越大，例如在第一處波谷處，加速度阻抗不僅隨腹板厚度增加有變小的趨勢，而且還存在著波谷頻率的移動。

2.3 腹板高度對基座機(jī)械阻抗的影響

圖5 為加速度阻抗隨腹板高度變化圖，整體上看，加速度阻抗隨腹板高度變化趨勢較復(fù)雜，隨著腹板高度的增加，加速度阻抗先降低，后升高，而后又降低，再升高。由于在實(shí)際工程中，基座的高度不能夠自由調(diào)節(jié)，所以在設(shè)計時，可以將基座腹板高度對基座阻抗的影響作為參考。

圖5 加速度阻抗隨腹板高度變化圖Fig.5 Cure of acceleration impedance versus the height of web

2.4 腹板開孔對基座機(jī)械阻抗的影響

圖6 為不同腹板開孔情況的基座，孔離腹板邊緣的距離從0.01 ～0.08 m，另外還有無開孔的情況。圖7 為加速度阻抗隨開孔大小的變化圖，可以看到開孔對基座輸入阻抗的影響非常有限，整體上基本沒什么變化，唯一在峰值處存在不同。

圖6 不同腹板開孔情況的基座Fig.6 Structure of dfferent foundations

圖7 加速度阻抗隨腹板開孔大小變化圖Fig.7 Cure of acceleration impedance versus the size of plane

圖8 為不同開孔加強(qiáng)情況的基座，工程實(shí)際中在開孔的邊緣增加一圈加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，來保證基座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，本文研究了不同高度的圍壁對基座輸入阻抗的影響。圖9 為加速度阻抗隨腹板開孔加強(qiáng)的變化圖，可以看到開孔加強(qiáng)對基座輸入阻抗的影響非常有限，基本沒有什么變化。在基座設(shè)計過程中，對基座的開孔以及開孔加強(qiáng)可以不用考慮對基座輸入阻抗的影響，只需考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等其他方面。

圖8 不同開孔加強(qiáng)情況的基座圖Fig.8 Structure of different strengthened holes on foundation

圖9 加速度阻抗隨腹板開孔加強(qiáng)變化圖Fig.9 Cure of acceleration impedance versus the strengthened holes

2.5 隔振器的布置位置對基座輸入機(jī)械阻抗的影響

圖10 為基座面板的示意圖，在基座面板上，設(shè)計了24 個點(diǎn)作為隔振器的布置位置，來研究不同的布置位置對基座輸入阻抗的影響。

圖10 基座隔振器布置位置示意圖Fig.10 Structure of different vibration isolator′s location on foundation

圖11 和圖12 為基座隔振器的不同布置位置對基座輸入阻抗的影響。由圖可看出，7，9，16 和18四個位置的輸入阻抗最大，其次為2，4，6，10，15，19，21 和23 八個位置，接著為8，17，12 和13 四個位置，然后是1，5，20 和24，最后為3，22和11，14。

在仔細(xì)分析圖11 和圖12 后，可以看到阻抗最大的位置為縱橫腹板的交叉點(diǎn)，其次為腹板與面板的接觸線，而其他位置因為面板下沒有直接支撐結(jié)構(gòu)，所以阻抗值較小，所以為了增大基座的阻抗，可以將隔振器的位置選在縱橫腹板與基座面板的接觸處。

圖11 加速度阻抗隨隔振器位置變化圖Fig.11 Cure of acceleration impedance versus the location of vibration isolators

圖12 加速度阻抗隨隔振器位置變化圖Fig.12 Cure of acceleration impedance versus the location of vibration isolators

3 結(jié) 語

本文基于阻抗分析理論，討論了基座阻抗的增加對艦船減振降噪的影響。在此基礎(chǔ)上采用有限元法研究了基座面板厚度、腹板厚度、腹板高度、腹板開孔和基座隔振器的位置對基座輸入機(jī)械阻抗的影響，通過以上分析可得到以下結(jié)論:

1)面板厚度的增加對基座輸入機(jī)械阻抗的提高有利，面板厚度越大，基座的輸入阻抗就越大;

2)腹板厚度和高度對基座的輸入機(jī)械阻抗有一定的影響，在設(shè)計基座時，可以通過改變腹板厚度和高度來改進(jìn)基座的阻抗;

3)腹板開孔以及開孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對基座的輸入機(jī)械阻抗基本沒有影響，設(shè)計基座開孔時可以不必考慮其對基座阻抗的影響;

4)隔振器的布置位置對基座的輸入阻抗有較大影響，為了提高基座的輸入機(jī)械阻抗，隔振器盡量布置在腹板與面板的接觸處。

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