螺栓連接及其預(yù)緊力矩對(duì)船舶約束阻尼板振動(dòng)特性的影響

徐得志,任晉宇

(武漢交通職業(yè)學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院,武漢 430065)

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螺栓連接及其預(yù)緊力矩對(duì)船舶約束阻尼板振動(dòng)特性的影響

徐得志,任晉宇

(武漢交通職業(yè)學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院,武漢 430065)

針對(duì)船舶約束阻尼板的不同敷設(shè)工藝方案，通過數(shù)值仿真計(jì)算及試驗(yàn)測(cè)試約束阻尼板的結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼因子，分析螺栓及螺栓預(yù)緊力矩對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼因子的影響。仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在約束阻尼層上增加螺栓后，各階模態(tài)阻尼因子明顯增加；當(dāng)螺栓預(yù)緊力矩在一定范圍時(shí)，絕大部分的各階模態(tài)頻率略有增加，但變化值較小，約束阻尼板上的螺栓不僅可以固定阻尼膠板還能明顯增加阻尼板的減振降噪性能，但螺栓預(yù)緊力矩對(duì)阻尼板振動(dòng)性能影響不大。

螺栓預(yù)緊力矩；約束阻尼板；模態(tài)特征；安裝工藝

現(xiàn)在船舶建造過程中，為了實(shí)現(xiàn)低噪聲安裝工藝，約束阻尼層敷設(shè)技術(shù)越來越多應(yīng)用于船舶板材敷設(shè)安裝工藝中，約束阻尼板敷設(shè)工藝日益受到重視，約束阻尼板的安裝工藝的好壞直接影響了該船結(jié)構(gòu)震動(dòng)性能。因此,如何抑制約束阻尼板結(jié)構(gòu)的振動(dòng),控制其結(jié)構(gòu)的噪聲輻射是船舶企業(yè)施工人員最為關(guān)注的問題之一。目前約束阻尼板有兩種安裝方式：將阻尼材料利用粘性劑將其粘貼到型材上；先進(jìn)行粘貼然后加螺栓固定。相關(guān)的工作集中于分析應(yīng)用船舶復(fù)合材料阻尼板振動(dòng)聲學(xué)特征[1-2]；將敷設(shè)阻尼材料應(yīng)用在加筋雙層圓柱殼的低階模態(tài)振動(dòng)特性研究[3], 研究多種材料螺栓連接對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)及傳遞特性影響[4]，但關(guān)于螺栓連接及其預(yù)緊力矩對(duì)約束阻尼板的模態(tài)特征及其振動(dòng)分析研究較少。同時(shí)其在實(shí)船安裝過程中采用何種敷設(shè)工藝更為優(yōu)異并沒有定性結(jié)論。

評(píng)判敷設(shè)阻尼材料結(jié)構(gòu)的減振降噪性能高低的一個(gè)主要指標(biāo)是敷設(shè)阻尼材料后，結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)所對(duì)應(yīng)的模態(tài)阻尼因子是否有明顯增加。一般情況下，模態(tài)阻尼因子越大，結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)情況下消耗的振動(dòng)能量越多，減振降噪性能也就越好。在測(cè)試頻段選取方面，考慮到結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的貢獻(xiàn)最大，其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)形態(tài)所消耗的能量也最大[5]。因此考慮主要測(cè)試及計(jì)算阻尼板的低階模態(tài)阻尼因子。本文主要根據(jù)物理測(cè)試臺(tái)架建立有限元模型，采用仿真計(jì)算和物理實(shí)測(cè)方法分析實(shí)際施工過程中螺栓預(yù)緊力矩的大小變化對(duì)船舶約束阻尼板振動(dòng)特性的影響，通過測(cè)試及數(shù)值仿真計(jì)算約束阻尼板的結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼因子，來分析螺栓及螺栓預(yù)緊力矩對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼因子的影響，從而設(shè)定實(shí)船約束阻尼板敷設(shè)工藝參數(shù)。

1　有限元模型建模及計(jì)算

1.1模型結(jié)構(gòu)

BN阻尼板試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)由上下層框架、中間帶螺栓的約束阻尼板和底部的支撐結(jié)構(gòu)。

針對(duì)BN阻尼板的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用有限元軟件建模，?jì)算阻尼板結(jié)構(gòu)的模態(tài)。約束阻尼板中底部鋼板(6 mm厚)與框架用螺栓固定，其阻尼層約束板和框架沒有接觸。因此，有限元模型中阻尼層約束板邊界和框架間設(shè)置1 mm間隙；在12個(gè)螺栓連接部位采用節(jié)點(diǎn)耦合自由度方法[6]，盡可能地與試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅３忠恢隆?/p>

1.2網(wǎng)格劃分

選擇的單元類型為SOLID185。該單元用于構(gòu)造三維的固體結(jié)構(gòu)，通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著x、y、z方向平移的自由度。此外，該單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變能力；試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎昧虽摪搴妥枘嵯鹉z兩種不同的材料。在指定網(wǎng)格劃分屬性時(shí)，對(duì)所需劃分的部分指定其材料屬性、單元類型等，從而完成模型中不同材料屬性的賦值，所建有限元模型見圖1。

圖1　有限元模型

針對(duì)BN阻尼板模型，預(yù)緊力矩為12 N·m時(shí)，有限元6階模態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2　BN阻尼板模型前4階模態(tài)

2　模態(tài)試驗(yàn)

2.1模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備及原理

試驗(yàn)測(cè)試BN阻尼板結(jié)構(gòu)的阻尼因子采用LMS 12通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及B&K 3向加速度傳感器，見圖3。

圖3　LMS 12通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

對(duì)于有阻尼振動(dòng)系統(tǒng)，其頻率響應(yīng)函數(shù)為[7]

式中：2jωrmrQr=1；

mr——模態(tài)質(zhì)量；

Qr——比例換算因子。

2.2模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試方法及步驟

采用力錘敲擊板結(jié)構(gòu)的某點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量敲擊點(diǎn)處的加速度響應(yīng)。計(jì)算得到敲擊點(diǎn)處的頻率響應(yīng)函數(shù)。其計(jì)算結(jié)構(gòu)阻尼因子的方法為半功率點(diǎn)法。為保證能夠準(zhǔn)確測(cè)試得到各測(cè)點(diǎn)頻響函數(shù)，并能夠從頻響函數(shù)曲線上準(zhǔn)確識(shí)別出所有的前6階固有頻率(最高的模態(tài)頻率不超過450 Hz)以及對(duì)應(yīng)的阻尼因子，選擇采樣參數(shù)如下：采樣率2 000 Hz；每一段數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)8 k；平均次數(shù)4次；頻響函數(shù)的頻譜分辨率為0.24 Hz。

針對(duì)BN阻尼板進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試，模態(tài)試驗(yàn)的過程是：首先在要測(cè)試的阻尼板上進(jìn)行區(qū)間劃分(如圖4所示)，在A1、A2、A3點(diǎn)處安裝加速度傳感器；利用力錘進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)，采用單點(diǎn)輸出的方法進(jìn)行各點(diǎn)傳遞函數(shù)的測(cè)量，利用模態(tài)分析軟件，提取相應(yīng)模態(tài)，分析結(jié)果。

圖4　阻尼板模態(tài)試驗(yàn)臺(tái)架

針對(duì)BN阻尼板模型(預(yù)緊力矩為3 N·m)，其各階固有頻率的對(duì)比見表1。

表1　預(yù)緊力矩為3 N·m時(shí)，BN阻尼板結(jié)構(gòu)固有頻率實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比

由表1可見，有限元模型的前6階的振動(dòng)固有頻率與測(cè)試的固有頻率結(jié)果的相對(duì)誤差都在5%以內(nèi)，這表明本文所建立的針對(duì)粘敷約束阻尼板數(shù)值仿真模型，可很好地反映其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

2.3結(jié)果誤差原因

仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差原因：①在進(jìn)行有限元模型建模時(shí)，不可避免地對(duì)測(cè)試模型進(jìn)行一些簡化處理，如螺栓處，粘結(jié)面等；對(duì)工程實(shí)際阻尼進(jìn)行了簡化，而實(shí)際的橡膠材料的阻尼耗能機(jī)理十分復(fù)雜；②試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谙铝?、加工過程中，不可避免地會(huì)有一些尺寸上的誤差，而有限元模型則嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模。

3　螺栓及其預(yù)緊力的影響分析

3.1阻尼板有無安裝螺栓對(duì)其性能的影響

表2列出了預(yù)緊力矩為12 N·m時(shí)，BN阻尼板結(jié)構(gòu)在安裝螺栓以及沒有安裝螺栓時(shí)固有頻率實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比表。

由表2可見，在約束阻尼層上增加螺栓后，前3階的固有頻率有所增加，增加量級(jí)基本在2%～4%之間。而后3階的固有頻率增加很少，基本在1%以內(nèi)。

3.2螺栓預(yù)緊力矩對(duì)約束阻尼板性能影響

加預(yù)緊螺栓約束阻尼板的模態(tài)實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比分析見表3。

由表3可見，當(dāng)螺栓預(yù)緊力矩從0變化到12 N·m時(shí)，絕大部分的各階模態(tài)頻率略有增加，變化值基本在1 Hz范圍內(nèi)。相應(yīng)的模態(tài)阻尼因子大小基本在0.1%范圍內(nèi)波動(dòng)，而且變化沒有什么規(guī)律。說明螺栓預(yù)緊力矩對(duì)阻尼板聲學(xué)性能影響不大。

表2　預(yù)緊力矩為12 N·m時(shí)，BN阻尼板結(jié)構(gòu)固有頻率實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比

表3　加預(yù)緊螺栓BN阻尼板的模態(tài)實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比

4　結(jié)束語

通過仿真計(jì)算得到的各個(gè)阻尼板模型的前6階模態(tài)頻率和試驗(yàn)測(cè)試得到的基本一致，計(jì)算結(jié)果的誤差基本控制在5%以內(nèi)，數(shù)值仿真得到的模態(tài)結(jié)構(gòu)阻尼因子的變化規(guī)律基本和試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果一致，證明仿真計(jì)算模型的動(dòng)力學(xué)特性基本能夠反映試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶攸c(diǎn)。

由于橡膠材料的阻尼耗能機(jī)理復(fù)雜，仿真模型與其存在偏差，模態(tài)結(jié)構(gòu)阻尼因子計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差較大。其誤差基本在10%以內(nèi)。

通過計(jì)算和測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在約束阻尼層上增加螺栓后，各階模態(tài)阻尼因子增量，得到增加量級(jí)在10%～20%之間。說明約束阻尼板上的螺栓能明顯的增加阻尼板的減振降噪性能。同時(shí)得到螺栓預(yù)緊力矩對(duì)阻尼板聲學(xué)性能影響不大。

在實(shí)船約束阻尼板安裝時(shí)，增加螺栓件從提高減振性能方面來說是必要的，在施工過程中只要能夠擰緊，就能達(dá)到固定阻尼膠板的要求以及實(shí)現(xiàn)約束阻尼板減振性能。

橡膠材料的阻尼性能是影響仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試的重要因素，在后續(xù)研究中會(huì)進(jìn)一步考慮該因素對(duì)整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能影響。

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[4] 陳長盛，王強(qiáng)，柳瑞鋒，等.螺栓連接對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)及傳遞特性影響研究[J].振動(dòng)與沖擊,2014，33(2)：178-181.

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Effect of Bolt Pre-tightening Torque upon the Vibration Characteristics for a Constraint Damping Plate

XU De-zhi, REN Jin-yu

(School of Shipbuilding and Marine Engineering, Wuhan Technical College of Communications, Wuhan 430065, China)

Aiming at the different technique scheme for the constraint damping plate, the influences of the bolt arrangement and pre-tightening torque upon the structural modal damping factor are analyzed by numerical and experimental methods. The results show that when the bolt number is increased, the modal damping factor of the constrained plate is increased remarkably; when the pre-tightening torque of bolts is increased, the modal frequency increases slightly. So that the bolts can obviously increase the damping noise reduction performance of damping plate, in addition to the fixed damping rubber sheet, but the bolt pre-tightening torque plays small role on acoustic performance.

bolt pre-tightening torque; constraint damping plate; modes characteristics; installation process

2015-12-23

2016-01-19

湖北省高等學(xué)校教學(xué)研究項(xiàng)目(2011440)

徐得志(1965—)，男，碩士，副教授

U661.44

A

1671-7953(2016)04-0054-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.013

研究方向:船舶力學(xué)性能

E-mail:515429822@qq.com