水下航行器浮筏隔振系統(tǒng)研究

鄭學(xué)貴，劉曉麗

0　引言

大量研究表明，水下航行器的噪聲主要來自于其動力裝置[1]。目前水下航行器主要采用單層隔振，通過對隔振材料和安裝方式來降低水下航行器的殼體噪聲。隨著浮筏隔振技術(shù)的日益成熟，浮筏隔振技術(shù)已成功的運用到許多艦船的減振降噪上，目前所設(shè)計浮筏隔振系統(tǒng)為保證隔振效果，一般筏體同動力裝置的質(zhì)量比保持在0.5~1.1之間[2，3]。但設(shè)計者為保證水下航行器的隱蔽性和航行速度，往往對水下航行器的質(zhì)量有極其嚴(yán)格的要求，這成為水下航行器使用浮筏隔振系統(tǒng)的障礙。小質(zhì)量比浮筏隔振系統(tǒng)在質(zhì)量上能夠很好地滿足水下航行器對隔振系統(tǒng)質(zhì)量的要求，但隨著筏體質(zhì)量的降低，系統(tǒng)各參數(shù)對隔振的影響也隨著變大。本文針對小質(zhì)量比浮筏隔振系統(tǒng)的各個參數(shù)加以研究，并分析它們對隔振的影響。

1　水下航行器動力艙段試驗結(jié)果和有限元計算結(jié)果對比

1.1　試驗結(jié)果[4]

表1　寬頻帶隨機激勵下振級落差總表Tab.1 The vibration levelunderwide-band random excitation

1.2　試驗結(jié)果分析

通過試驗的數(shù)據(jù)記錄處理，并對數(shù)據(jù)進行分析得出：

（1）由振級落差試驗數(shù)據(jù)表1可見，采用浮筏雙層隔振比單層的隔振效果都好，特別在高頻區(qū)。例如，有筏體B、無油，雙層隔振方案與無筏體、無油，與單層隔振相比振級落差有了大幅度的提高。

（2）試驗中發(fā)現(xiàn)浮筏隔振系統(tǒng)的隔振效果并不是在所有頻段內(nèi)均相同。其隔振效果與整體系統(tǒng)的耦合特性有關(guān)。特別在低頻段，在筏體耦合系統(tǒng)模態(tài)頻率附近，隔振效果大大降低。因此在有的頻段應(yīng)力求避免系統(tǒng)的耦合共振。由此可見，為保證系統(tǒng)的隔振效果必須對系統(tǒng)進行動態(tài)特性分析。

（3）總體上來說，對柔性隔振系統(tǒng)而言，4~5KHz的隔振效果要比2kHz以下的要好，見表1。

（4）當(dāng)動力艙段中加油時，油會引起的振動傳遞短路，造成浮筏隔振系統(tǒng)的隔振效果下降。這同有關(guān)報道的結(jié)果相一致。

（5）在高頻段，中間開孔的筏體具有良好的隔振效果。這表明中間筏體的質(zhì)量可進一步減小。結(jié)果說明設(shè)計一種既有隔振效果，質(zhì)量又輕的浮筏裝置具有可能性。小質(zhì)量比浮筏隔振系統(tǒng)在水下航行器的減振降噪上具有良好的應(yīng)用前景。

1.3　有限元計算結(jié)果

為驗證有限元計算的正確性針對有筏體B、無油方案的動力艙段建立有限元模型，建模時按實體進行1：1建模，計算時采用和試驗相同的材料，采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分，單元共有38560個。

表2　水下航行器動力艙段固有頻率Tab.2 Natural frequency of underwater vehicle power parts

從表2可以看出有限元計算結(jié)果同試驗基本相同，說明有限元計算可靠，邊界條件合理。

2　系統(tǒng)各參數(shù)對隔振的影響分析

2.1　殼體剛度對系統(tǒng)振動傳遞的影響

采用三種材料來研究殼體剛度對振動傳遞的影響。在保證可提質(zhì)量不變的情況下，選用了三種彈性模量不同的材料，材料1的彈性模量是材料2的10倍、材料3的彈性模量是材料2的1/10倍，在三種材料下計算所得殼體位移響應(yīng)曲線如圖1所示。由圖1可以看出三種材料在前幾階的固有頻率幾乎相同，平率在250~950階段，材料1、材料2的位移響應(yīng)曲線基本重合，材料3的響應(yīng)曲線的變化明顯大于材料1和材料2。由此我們認(rèn)為對于水下航行器動力艙段來說不能簡單地說殼體的剛度大小對振動傳遞是好是壞。要根據(jù)整個系統(tǒng)的動態(tài)特性來分析。由于殼體的聲輻射能量主要為低頻，為了進一步降低水下航行器的殼體聲輻射，我們可通過加大殼體的剛度，提高殼體的固有頻率來實現(xiàn)。

圖1　不同殼體剛度在單位力激勵下的位移響應(yīng)曲線Fig.1 Displacement of different shell stiffness under unit force excitation

2.2　筏體質(zhì)量比對隔振效果的影響

對于理想的雙層隔振系統(tǒng)而言，其隔振傳遞率曲線有兩個峰值，分別對應(yīng)于系統(tǒng)的兩個安裝頻率。第一安裝頻率主要與筏體上下隔振器的剛度、設(shè)備和筏體的質(zhì)量有關(guān)，而第二階安裝頻率則和同筏體與被隔振的質(zhì)量比有關(guān)。隨著質(zhì)量比的增加，第二安裝頻率向第一安裝頻率靠近。眾所周知，對于雙層隔振系統(tǒng)而言，當(dāng)擾動頻率處于兩個安裝頻率之間時，振動的損失通常很小，甚至被可能放大，而其第二安裝以后的隔振傳遞率是按每倍頻24分貝的速度下降，這就是為何要對筏體質(zhì)量有一定要求的主要原因。

盡管大質(zhì)量的筏體有一定的優(yōu)越性。但是往往帶來裝置笨重、結(jié)構(gòu)尺寸過于龐大的缺點。特別對于水下航行器而言，由于其對裝置的質(zhì)量控制極其嚴(yán)格，因而必須采用質(zhì)量盡可能小的筏體結(jié)構(gòu)。

圖2筏體同動力裝置的質(zhì)量比依次為0.185、0.12、0.113、0.10，筏體結(jié)構(gòu)依次為不開孔、開四個孔、開十二個孔、開十八個孔。簡稱為：質(zhì)量1、質(zhì)量2、質(zhì)量3、質(zhì)量4。

圖2　不同質(zhì)量比筏體動力艙段位移響應(yīng)AFig.2 Displacement A of power parts under different mass ratio

從圖2可以看到質(zhì)量2、3、4的曲線在0~400Hz基本重合其原因為質(zhì)量2、3、4相差不大，在隨后的頻率中質(zhì)量2的變化最平穩(wěn)且在1800Hz后的位移最小，則于其的質(zhì)量在三個方案中最大有關(guān)，質(zhì)量3在1500Hz以后的位移也小于質(zhì)量4，這說明筏體的質(zhì)量比越大隔振效果越好，這一結(jié)果同振動理論的有關(guān)觀點一致。質(zhì)量1的質(zhì)量比最大，但其位移并不是最小，這是因為在1500H中的范圍內(nèi)其頻率大多為徑向振動頻率，因而對徑向振動的較為靈敏。

圖3筏體同動力裝置的質(zhì)量比依次為0.10、0.16，筏體結(jié)構(gòu)均為不開孔。簡稱為：質(zhì)量5、質(zhì)量6。圖3中由于筏體的結(jié)構(gòu)基本相同，因此可以看到質(zhì)量大的筏體隔振效果較好。

圖3　不同質(zhì)量比筏體動力艙段位移響應(yīng)BFig.3 Displacement B of power parts under different mass ratio

綜合圖2、圖3，我們認(rèn)為對于小質(zhì)量比的浮筏裝置來說不能簡單地說質(zhì)量比越大隔振效果越好，筏體的結(jié)構(gòu)變化所引起的動態(tài)特性對最終隔振效果有很大的影響。

一般來說對于結(jié)構(gòu)相近的筏體同動力裝置的質(zhì)量比越大隔振效果越好，但在進行隔振設(shè)計時不能簡單通過增加筏體的質(zhì)量來提高隔振效果，必須充分利用筏體的結(jié)構(gòu)來改變系統(tǒng)的動態(tài)特性，減小耦合的發(fā)生。另一方面，如果能充分考慮筏體的動態(tài)特性避開系統(tǒng)的固有頻率，小質(zhì)量比的浮筏隔振系統(tǒng)一樣可以取得較好的隔振效果。

2.3　隔振器剛度對振動傳遞的影響

取第一種類型的中間筏體，取第四種類型“O”型圈隔振器為研究對象，以橡膠材料的彈性模量E2=5.68×106N/m2為基礎(chǔ)，再取E1=0.1E2、E3=10E2分別加以計算，以比較隔振器剛度對其固有頻率的影響。

通過圖4可以看到隔振器剛度對系統(tǒng)的固有頻率的影響很大。隨著隔振器剛度的增加系統(tǒng)的固有頻率也隨著增加，這同振動理論相符合。從這個系統(tǒng)的模態(tài)變形看前7階都是隔振器變形，其他部分呈剛體運動狀態(tài)，因此可通過降低隔振器的剛度來降低系統(tǒng)的固有頻率，起到好的隔振效果。三種剛度的隔振系統(tǒng)均有1093、1100Hz附近的頻率，從系統(tǒng)的模態(tài)變形發(fā)現(xiàn)這幾階變形為殼體變形，因此它們均有這些頻率。

圖4　固有頻率曲線對比圖Fig.4 Natural frequency curve

2.4　阻尼對振動傳遞的影響

對于小質(zhì)量比浮筏隔振系統(tǒng)來說，動力裝置、減振元件、筏體和水下航行器殼體組成了一個耦合系統(tǒng)，浮筏阻尼對總隔振效果的影響必須加以考慮。圖5給出了小質(zhì)量比時，幾種阻尼比的計算結(jié)果。圖中的阻尼分別為0、0.01、0.02、0.04。計算結(jié)果表明阻尼的作用對隔振有益，可以有效地抑制系統(tǒng)的共振響應(yīng)，特別使在1000Hz以下的頻率范圍內(nèi)。并且對于2000Hz的中頻阻尼亦有隔振效果。但當(dāng)阻尼從0.01提高到0.04時阻尼的作用不再那么明顯，這說明阻尼只能降低共振處的振動響應(yīng)，并不能較大地改變系統(tǒng)的振動特性。

圖5　不同阻尼下的傳遞曲線Fig.5 Transfer curve of a different damping

3　總結(jié)

隨著浮筏隔振系統(tǒng)質(zhì)量比的減小，許多原先對隔振傳遞率影響不大的相關(guān)參數(shù)，變得敏感起來。通過對殼體的剛度、質(zhì)量比、隔振器的剛度、阻尼的計算分析我們發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

對于水下航行器浮筏隔振系統(tǒng)來說，提高殼體的剛度可以提高系統(tǒng)的頻率，有助于減小水下航行器的低頻聲輻射。

對于小質(zhì)量浮筏隔振系統(tǒng)來說，增加筏體同動力裝置的質(zhì)量比可以系統(tǒng)的隔振效果，但筏體的結(jié)構(gòu)的變化對最終隔振效果的影響也不容忽視。在設(shè)計時應(yīng)充分利用筏體的結(jié)構(gòu)的變化來改變系統(tǒng)的動態(tài)特性，減小耦合的發(fā)生，同時充分考慮筏體的動態(tài)特性以避開系統(tǒng)的固有頻率，達(dá)到較好的隔振效果。

通過增加系統(tǒng)的阻尼可以大大地降低共振處的振動響應(yīng)，但阻力的改變并不能較大地改變系統(tǒng)的振動特性。

通過對隔振器的剛度的變化，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的固有頻率。因而可以通過調(diào)節(jié)隔振器的剛度來改變系統(tǒng)的固有頻率，有效地避開系統(tǒng)的擾動頻率。

因此在設(shè)計小質(zhì)量比浮筏隔振系統(tǒng)時，必須分析各個參數(shù)對系統(tǒng)固有特性及隔振效果的影響；通過有限元、波動法等計算方法對筏體的動態(tài)特性，綜合考慮筏體模態(tài)，基礎(chǔ)非剛性的影響，才能最終設(shè)計出具有良好隔振效果的，穩(wěn)定性又好的小質(zhì)量比的浮筏隔振系統(tǒng)。

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