管路系統(tǒng)低噪聲彈性支撐安裝研究

戴青山，朱石堅(jiān)，張振海

(1. 海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2. 船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

管路系統(tǒng)低噪聲彈性支撐安裝研究

戴青山1,2，朱石堅(jiān)1,2，張振海1,2

(1. 海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2. 船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

彈性支撐是減小管路系統(tǒng)噪聲源向船體結(jié)構(gòu)傳遞的主要措施，但安裝數(shù)量較多且受安裝條件限制,部分管路支撐直接與船體結(jié)構(gòu)相連，導(dǎo)致彈性支撐也是振動傳遞的重要途徑。本文利用Abaqus有限元軟件計算單位激勵下管路系統(tǒng)各彈性支撐點(diǎn)的頻率響應(yīng)特性，分析了彈性支撐安裝間距、剛度及位置等因素對管路振動噪聲特性的影響，提出管路系統(tǒng)彈性支撐的低噪聲安裝方法，為艦船管路系統(tǒng)彈性支撐設(shè)計提供了重要依據(jù)。

管路；振動噪聲；彈性支撐；低噪聲安裝

對于復(fù)雜管路系統(tǒng)，國內(nèi)缺乏對彈性支撐相關(guān)參數(shù)下管路振動傳遞特性研究。本文采用有限元理論，在合理簡化管路系統(tǒng)彈性支撐的基礎(chǔ)上，對管路進(jìn)行有限元仿真，分析彈性支撐在不同間距、不同剛度、不同位置的情況下管路的振動傳遞特性，為艦船管路系統(tǒng)彈性支撐的低噪聲安裝與設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 管路系統(tǒng)彈性支撐數(shù)學(xué)模型

艦船管路系統(tǒng)很多，有為全船提供海、淡水的供水管路系統(tǒng)，燃油和滑油輸送管路系統(tǒng)，消防管路系統(tǒng)，艙底水排除管路系統(tǒng)等。管路系統(tǒng)的構(gòu)成和功能多種多樣，但都是由設(shè)備、管段、法蘭、撓性接管、彈性支承件等基本部件組成。

圖1 管路系統(tǒng)典型彈性支撐結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Pipeline system typical elastic support structure diagram

引起管路振動原因有3種：共振；流體壓力脈動；動力平衡性差或基礎(chǔ)設(shè)計不當(dāng)。共振分2種：一是管路系統(tǒng)機(jī)械共振，由于管路系統(tǒng)本身也相當(dāng)于一個彈性系統(tǒng)當(dāng)激勵頻率與某階固有頻率接近時即發(fā)生管路共振；二是氣柱共振，管路系統(tǒng)中的氣體也是振動系統(tǒng)，當(dāng)激勵頻率與某階固有頻率接近也會產(chǎn)生共振。流體壓力脈動：管路系統(tǒng)中處于壓力脈動狀態(tài)的管流遇到彎頭、控制閥件等產(chǎn)生隨時間變化的激勵力使管路系統(tǒng)產(chǎn)生振動。動力機(jī)械如泵、壓縮機(jī)等安裝不平衡以及基礎(chǔ)設(shè)計不當(dāng)同樣會使管路系統(tǒng)產(chǎn)生振動。

典型的彈性支撐主要由彈性元件、支撐結(jié)構(gòu)等組成，支撐與基座之間插入隔振器等隔振單元，構(gòu)成組合式彈性支撐。其振動系統(tǒng)簡化模型如圖2所示。

圖2 彈性支撐振動系統(tǒng)模型Fig. 2 Elastic support vibration system model

則基座所受到的力為：

2 管路系統(tǒng)彈性支撐數(shù)值計算模型

2.1 模型參數(shù)

DN80管路參數(shù)如表1所示，管路彈性支撐有限元模型的材料屬性如表2所示。

2.2 基于Abaqus的管路彈性支撐有限元模型

Abaqus有10個功能模塊依次完成有限元建模、屬性賦予、網(wǎng)格劃分、分析計算、后處理等。在有限元中建立管路彈性支撐有限元模型，模型建立：在Part模塊創(chuàng)建所需分析的模型，文中把管路簡化為梁結(jié)構(gòu)，考慮到彈性支撐對稱性可以把其簡化為彈簧結(jié)構(gòu)。在Property模塊定義模型的材料屬性和截面，選擇適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)關(guān)系，并確立管路以及彈性支撐部件的相關(guān)參數(shù)。管路的截面屬性以Pipe屬性定義，彈性支撐簡化為彈簧結(jié)構(gòu)之后的等效剛度為8×106N/m，彈簧屬性是在模型建好之后在Assembly模塊中建立的。進(jìn)行有限元計算時，必須處理結(jié)構(gòu)的邊界條件。邊界條件：Load模塊中定義邊界條件和載荷。本文除鋪板設(shè)為固支之外，其他邊界條件均設(shè)為自由。載荷處理及振源描述：在管路的左端管口設(shè)置沿Z軸向上的單位激勵力。管路、彈性支撐和鋪板的Abaqus模型如圖3所示。

表1 DN80管路參數(shù)Tab. 1 Parameter of DN80 pipeline

表2 模型材料屬性Tab. 2 Model material data

圖3 管路、彈性支撐和鋪板的Abaqus模型Fig. 3 Piping, elastic support and plank Abaqus model

3 彈性支撐安裝因素分析

3.1 彈性支撐間距影響

管路支撐間的振動傳遞特性與支撐間距有關(guān)，取DN80管為研究對象，不考慮其他因素，僅考慮管路支撐間距影響，在單位激勵力作用下，研究管路支撐的振動傳遞特性。整個簡化模型由3部分組成：管路、彈性支撐和鋪板。選取具有等間隔支撐的直管支撐于鋪板上，計算當(dāng)一端受到單位激勵力作用時，在不同的支撐間距時的各支撐點(diǎn)的響應(yīng)。

圖4～圖6分別是支撐間距為0.5 m，1 m，1.5 m的Abaqus仿真計算的結(jié)果。

圖4 支撐間距為0.5 m管路支撐點(diǎn)響應(yīng)Fig. 4 0.5 m support spacing line support response

圖5 支撐間距為1 m管路支撐點(diǎn)響應(yīng)Fig. 5 1 m support spacing line support response

圖6 支撐間距為1.5 m管路支撐點(diǎn)響應(yīng)Fig. 6 1.5 m support spacing line support response

圖4 ～圖6表明低頻段各管路支撐之間的振動衰減比高頻大，而且在低頻段的衰減有較寬的頻率范圍，并且由低頻段的高傳遞損失到高頻段的低傳遞損失有比較明顯的頻率分界點(diǎn)。當(dāng)管跨距離較小，一階固有頻率較高時，低頻段的振動衰減頻段較寬，反之高頻段的振動衰減較窄。相同支撐間距的管路在低頻段傳遞到基座的力隨著支撐點(diǎn)離激勵點(diǎn)距離的增加明顯減小，高頻段傳遞率基本不變。在不同支撐間距下管路在低頻段傳遞損失相應(yīng)減小。激勵力傳遞到各支撐點(diǎn)的力隨著支撐間距的增加有所減小。

管路的振動傳遞特性與管跨的固有特性關(guān)系密切，同時管跨的固有振動特性與支撐間距、管道直徑、彈性支撐與船體的阻抗都有關(guān)系。所以，對同一規(guī)格的管道，使用不同的支撐或安裝在船體不同的位置，根據(jù)振動衰減的需要，應(yīng)該對彈性支撐間距提出不同的要求。判斷支撐布置合理性的主要依據(jù)是支撐間的振動衰減特性，振動衰減越大、頻段越寬就認(rèn)為布置越合理。

3.2 彈性支撐剛度影響

由于彈性支撐的結(jié)構(gòu)形式不同，管路與彈性支撐之間所選用的彈性元件的結(jié)構(gòu)和材料也不同。一般認(rèn)為在為管路設(shè)計彈性支撐時，選用的彈性元件的剛度要適中，基礎(chǔ)剛度要盡量的大，才能達(dá)到良好的管路低噪聲安裝效果。為了研究管路彈性支撐的剛度參數(shù)對管路系統(tǒng)振動的影響，如圖所示等支撐間距下彈性支撐剛度分別為1.2×106N/m，3.6×106N/m，6.0×106N/m，8.4×106N/m彈性支撐點(diǎn)的響應(yīng)。

圖7 不同支撐剛度下支撐點(diǎn)的響應(yīng)Fig. 7 The response of the support point under different support stiffness

支撐剛度變化對100 Hz以上船體振動的高頻區(qū)域影響不大，但是對100 Hz以下低頻區(qū)的振動影響比較明顯。現(xiàn)取100 Hz以下的船體振動為研究對象，分析支撐剛度變化對船體振動的影響，如圖8所示為100 Hz以下船體總振級隨支撐剛度變化的曲線。

圖8 100 Hz以下船體振動總級隨彈性支撐剛度變化曲線Fig. 8 Hull vibration level below 100 Hz change with elastic support stiffness curve

由圖8可知在剛度低于1.0×105N/m時，船體振動幾乎不隨管路支撐剛度變化，表示船體和管路系統(tǒng)的耦合振動較弱。在管路支撐剛度為7×105，1.2×106和8×106N/m附近，此時100 Hz以下船體振動加速度總級達(dá)到峰值，表示船體和管路系統(tǒng)的耦合振動最強(qiáng)；管路支撐剛度大于1.0×107N/m時，船體振動呈現(xiàn)隨支撐剛度增大而線性下降的趨勢，甚至支撐的阻抗大于船體阻抗，但是此情形在現(xiàn)實(shí)工況中很少出現(xiàn)。

3.3 彈性支撐位置影響

彈性支撐布置在機(jī)艙的不同位置會影響管路系統(tǒng)振動傳遞特性?，F(xiàn)在將管路分別置于耐壓殼、艙壁以及普通薄鋪板上，圖9～圖11為管路分別在鋪板、耐壓殼和艙壁上的計算結(jié)果。

圖9 支撐安裝在艙壁上的頻譜圖Fig. 9 Support installed in the tank wall spectrum

圖10 支撐安裝在耐壓殼體上的頻譜圖Fig. 10 Support installed in the pressure shell spectrum

圖11 支撐安裝在鋪板上的頻譜圖Fig. 11 Support installed in the planking spectrum

圖中“管跨一階”是指兩端用彈性馬腳支撐的管道在一端受單位力激勵的管跨的一階固有頻率，它反映的是組成整個直管管路的單一管跨的振動傳遞特性。由上圖可以看出管路彈性支撐安裝在耐壓殼有較低的加速度級，相比安裝在耐壓殼和艙壁安裝在鋪板上時有更多低頻共振峰。在對比船體輸入阻抗的數(shù)據(jù)圖譜之后，發(fā)現(xiàn)這些共振峰與鋪板阻抗曲線的反共振峰相對應(yīng)，這說明鋪板上管路振動傳遞受鋪板共振的影響比較明顯。故可認(rèn)為管路安裝在較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)上時，對實(shí)現(xiàn)支撐與船體結(jié)構(gòu)的阻抗失配是比較有利的，更有利于管路的隔振。進(jìn)一步可以得出結(jié)論為實(shí)現(xiàn)管路的低噪聲安裝彈性支撐最好布置在結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的艙壁或者耐壓殼體上。

4 結(jié) 語

通過彈性支撐安裝間距、剛度、位置安裝工藝影響因素的研究可以得出以下結(jié)論：

1）合理選擇管路彈性支撐間距對管路低噪聲安裝有重要意義。對同一規(guī)格的管道，使用不同的支撐或安裝在船體不同的位置，根據(jù)振動衰減的需要，應(yīng)對其彈性支撐提出不同的要求，支撐布置合理性的主要依據(jù)是支撐間的振動衰減特性，振動衰減越大、頻段越寬就認(rèn)為布置越合理。為了獲得較好的隔振效果，對不同通徑的管路，通過數(shù)值計算獲得了支撐布置間距對于上述DN80管最佳支撐間距為800～1 200 mm。

2）合理選擇管路彈性支撐的剛度參數(shù)有利于加強(qiáng)彈性支撐管路系統(tǒng)的隔振效果。管路設(shè)計彈性支撐時，選用的彈性元件的剛度要適中，支撐元件剛度要盡量的大，才能達(dá)到良好的管路低噪聲安裝效果。仿真計算表明管路剛度為8.4×106N/m時管路系統(tǒng)和船體耦合振動較弱，隔振效果良好。

3）管路安裝在較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)上時，對實(shí)現(xiàn)支撐與船體結(jié)構(gòu)的阻抗失配比較有利，更有利于管路的隔振。進(jìn)一步可以得出結(jié)論為實(shí)現(xiàn)管路的低噪聲安裝彈性支撐最好布置在結(jié)構(gòu)比較強(qiáng)的艙壁或者耐壓殼體上。

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Pipeline low noise elastic support installation method research

DAI Qing-shan1,2, ZHU Shi-jian1,2, ZHANG Zhen-hai1,2
(1. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;2. National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise, Wuhan 430033, China)

Pipeline’s elastic support is the main measure to reduce pipeline system vibration energy transfer to the hull structure, But there are many elastic supports in the ship pipeline system and part of pipeline’s elastic supports connected to the hull directly due to installation limitations, So that the elastic support is also a kind of important vibration transmission.This paper obtained frequency response characteristic of each elastic support’s unit in the pipeline system under unit excitation by means of Abaqus finite element simulation, and the distance between two elastic supports, the stiffness of elastic supports and the location of elastic supports various parameters’ influence on the vibration and noise characteristics are analyzed, And then presented the low noise installation methods of elastic support. Provided significant references to the low noise ship pipeline system elastic support design.

pipeline；vibration and noise；elastic support；low noise installation

TB533

A

1672 – 7649(2017)10 – 0092 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.018

0 引 言

管路系統(tǒng)是艦船輔助系統(tǒng)組成部分之一，實(shí)踐證明其產(chǎn)生的振動噪聲嚴(yán)重影響艦船的聲隱身性能。在管路與船體結(jié)構(gòu)之間安裝彈性支撐是控制振動傳遞的重要途徑，國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者對管路系統(tǒng)振動進(jìn)行研究，其中尹志勇[1]對管路系統(tǒng)振動、聲傳播及其控制技術(shù)的理論研究、實(shí)驗(yàn)研究的現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)；Lig[2]對流經(jīng)管路系統(tǒng)振動功率流，充液彎管振動傳輸、橡膠接頭功率流進(jìn)行系統(tǒng)研究；蔡華標(biāo)[3]提出了新型彈性支撐減振降噪的設(shè)計方案，實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計方案有良好的減振性能；柯兵[4]在管路系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計階段采用有限元方法進(jìn)行振動噪聲計算，并對控制元件參數(shù)對管路振動噪聲傳遞影響進(jìn)行初步研究，得到了一些有益的結(jié)論；He Tao[5]通過有限元計算將充液管路等效為梁結(jié)構(gòu)得出管路系統(tǒng)振動噪聲數(shù)值算法，并通過實(shí)驗(yàn)得到了有效的管路低噪聲配置方法；王艷林[6]介紹了艦船管路系統(tǒng)振動噪聲主被動控制的研究進(jìn)展，探討了未來艦船管路系統(tǒng)振動噪聲控制發(fā)展趨勢，并提出合理的建議；李偉剛[7]分析了艦船液壓管路系統(tǒng)振動噪聲產(chǎn)生的原因，并在流體動力噪聲控制中提出了采用彈性安裝以減小管路振動向船體的傳遞；周艷麗[8]針對導(dǎo)管不同構(gòu)型下支撐與卡箍，采用不同的簡化方式建立了有限元模型，通過實(shí)驗(yàn)找到了有效的支撐簡化方法；閆輝[9]基于有限元理論建立了隔振器有限元模型并進(jìn)行仿真計算，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比驗(yàn)證了其仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為彈性支撐隔振器的有限元計算分析奠定了基礎(chǔ)。

2016 – 09 – 05；

2016 – 10 – 18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51509253)；海軍工程大學(xué)科研資助項(xiàng)目(425517K143)

戴青山(1992 – )，男，碩士研究生，主要從事振動與噪聲控制方面研究。