復(fù)合材料基座在船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞控制中的應(yīng)用

牟文珺，桂洪斌

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）船舶與海洋工程學(xué)院，山東 威海 264209)

0 引 言

設(shè)備是船舶的主要振動(dòng)噪聲源，對其振動(dòng)噪聲的有效抑制在船舶舒適性以及艦艇安靜性方面具有重要意義?；Y(jié)構(gòu)是設(shè)備振動(dòng)傳遞到船體的主要途徑，為了降低設(shè)備的振動(dòng)傳遞，目前主要是通過在設(shè)備與基座之間安裝隔振系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

隨著對船舶舒適性和安靜性要求的提高，迫切需要更有效的隔振措施。由于阻尼抑制振動(dòng)的有效作用以及復(fù)合材料學(xué)科研究的發(fā)展與深入，采用由具有高阻尼性能并且可以獨(dú)立作為結(jié)構(gòu)材料的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)成的復(fù)合材料基座替代低阻尼的傳統(tǒng)鋼質(zhì)基座成為了增加設(shè)備隔振效果的一種選擇。

為了研究出具有優(yōu)良減振性能的復(fù)合材料基座，首先要掌握復(fù)合材料的阻尼及振動(dòng)特性，其次基座結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，將復(fù)合材料應(yīng)用于船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞抑制需要綜合性的研究分析。

本文首先對當(dāng)前設(shè)備振動(dòng)傳遞控制方法、復(fù)合材料的減振性能以及復(fù)合材料基座的應(yīng)用進(jìn)行綜述，然后通過具體算例分析復(fù)合材料基座的減振效果。

1 船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞控制措施

實(shí)船上使用的設(shè)備振動(dòng)傳遞控制方式主要為隔振，主要包括單層隔振，雙層隔振和浮筏隔振。

1.1 單、雙層隔振系統(tǒng)

單層隔振系統(tǒng)是把機(jī)械設(shè)備通過一層隔振器連接到基座上，利用隔振器本身的剛度和阻尼來對振動(dòng)的傳遞進(jìn)行隔離。單層隔振系統(tǒng)振動(dòng)的傳遞率以1/ω2衰減[1]，一般認(rèn)為單層隔振系統(tǒng)可以達(dá)到20 dB大小的隔振效果。

簡單隔振裝置的動(dòng)力學(xué)模型建立于20世紀(jì)40年代[2]。Sanderson[3]預(yù)測了兩物體之間單層隔振器的6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，得到了可用于計(jì)算激振力的傳遞公式。在單層隔振的分析方法方面，伍先俊等[4]證明統(tǒng)計(jì)能量法相較于導(dǎo)納功率流能好的描述單層隔振器剛度和阻尼大小對功率流傳遞的影響。

但是單層隔振器存在剛度較低且高頻隔振效果較差的缺點(diǎn)，因此在單層隔振系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在2層隔振器之間插入中間質(zhì)量，發(fā)展出雙層隔振系統(tǒng)，如圖1所示。雙層隔振系統(tǒng)可改善單層隔振剛度較差的缺點(diǎn)且具有更好的隔振效果，其振動(dòng)傳遞率以1/ω4衰減，在低頻區(qū)可降低振動(dòng)傳遞不少于35 dB, 高頻區(qū)可達(dá)50 dB[5]。

圖 1 雙層隔振系統(tǒng)Fig. 1 Double-layer vibration isolation system

針對雙層隔振系統(tǒng)的分析，沈榮瀛等[6]通過傳遞函數(shù)曲線得雙層隔振系統(tǒng)各動(dòng)態(tài)參數(shù)的選擇方法，并將隨機(jī)激振試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相對比，得出雙層隔振系統(tǒng)較單層隔振系統(tǒng)的優(yōu)勢。楊義順等[7]利用有限元法分析雙層隔振系統(tǒng)中質(zhì)量比、彈性模量等參數(shù)的改變對船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞的影響, 并將數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。肖斌等[8]基于功率流法并結(jié)合系統(tǒng)隔振試驗(yàn)及模態(tài)試驗(yàn)研究雙層隔振系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞，通過系統(tǒng)主導(dǎo)模態(tài)、耦合和阻尼等耗散特征以及初級激擾力特征提高雙層隔振系統(tǒng)隔振性能。

1.2 浮筏隔振系統(tǒng)

為解決雙層隔振系統(tǒng)中間質(zhì)量過重帶來的缺點(diǎn)，產(chǎn)生了浮筏隔振系統(tǒng)，即多臺設(shè)備可共用一個(gè)中間質(zhì)量（筏架），如圖2所示。以振級落差為評價(jià)指標(biāo)，浮筏隔振系統(tǒng)可獲得40 dB以上的隔振效果[5]，但目前較明顯的局限性是需要較大的安裝空間。

圖 2 浮筏隔振系統(tǒng)Fig. 2 Floating raft isolation system

針對浮筏隔振系統(tǒng)的性能，張樹楨等[9]利用功率流作為浮筏隔振系統(tǒng)的性能評價(jià)指標(biāo)，就筏架和基座的柔性變形、負(fù)載質(zhì)量、隔振器剛度和阻尼以及筏架和基座損耗因子對隔振效果的影響進(jìn)行了理論與數(shù)值分析。黃其柏等[10]以振級落差為評價(jià)指標(biāo)，使用有限元分析法研究了2種筏體結(jié)構(gòu)的浮筏隔振系統(tǒng)的隔振效果, 并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。許樹浩等[11]比較了加速度響應(yīng)與功率流響應(yīng)2種評價(jià)指標(biāo)反應(yīng)隔振系統(tǒng)隔振效果的優(yōu)劣，結(jié)果表明功率流法會(huì)優(yōu)于加速度響應(yīng)做為評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)體系。吳剛等[12]利用有限元法和綜合數(shù)值法設(shè)計(jì)浮筏隔振系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行模擬研究，證明較小的隔振器剛度和較大的中間筏體質(zhì)量能有效改善系統(tǒng)低頻隔振特性。Li等[13]使用解析法及功率流法分析了由約束阻尼梁構(gòu)成的浮筏隔振系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，證明浮筏隔離系統(tǒng)可以提供更高的隔振效果。

1.3 基座結(jié)構(gòu)及分布對振動(dòng)傳遞的影響

基座作為設(shè)備振動(dòng)傳遞到船體的主要路徑，是控制設(shè)備振動(dòng)傳遞的重要環(huán)節(jié)。

Wen等[14]設(shè)計(jì)了內(nèi)有4個(gè)設(shè)備支撐基座的環(huán)肋圓柱殼模型，研究了內(nèi)部基座的結(jié)構(gòu)形式和布局定位對環(huán)肋圓柱殼振動(dòng)傳播特性的影響。申華等[15]設(shè)計(jì)了3種形式的基座，采用有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，以振級落差為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究了動(dòng)力艙段殼體的振動(dòng)模態(tài)和由基座至殼體的振動(dòng)傳遞特性，證明了基座剛度越大，其抑制設(shè)備振動(dòng)傳遞的效果越好；張彤彤等[16]以振級落差為評價(jià)指標(biāo)，研究了基座結(jié)構(gòu)參數(shù)對基座阻抗及艇體振動(dòng)的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明增大面板厚度及偏置腹板可以提高基座結(jié)構(gòu)輸入機(jī)械阻抗，降低艇體振動(dòng)響應(yīng)；王國治等[17]使用有限元/邊界元法研究基座結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，證明了基座面板厚度、粘貼阻尼層及減震器剛度對設(shè)備振動(dòng)傳遞性能有明顯的影響。鄭律等[18]使用波動(dòng)分析法分析了設(shè)備振動(dòng)在雙層殼中的傳遞特性，采用有限元與邊界元結(jié)合法分析基座結(jié)構(gòu)連接處阻抗失配對基座的減振性能的影響，證明可通過對振動(dòng)波的分流提高基座減振降噪效果。

基座作為設(shè)備振動(dòng)傳遞到船體的最直接路徑，可以更改基座結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)提升基座的減振性能，其中增加面板厚度，提高輸入機(jī)械阻抗的效果最為明顯，但增加面板厚度必定以增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量為代價(jià)，不符合船舶輕量化的設(shè)計(jì)要求。為更好地控制船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞，使用質(zhì)量輕且具有高阻尼特性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料替代原有的鋼質(zhì)基座結(jié)構(gòu)是一種值得研究的手段。

2 復(fù)合材料阻尼及減振效果

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由增強(qiáng)纖維和基體組成，相較于金屬，復(fù)合材料普遍具有高阻尼特性。復(fù)合材料對振動(dòng)的控制主要通過阻尼耗散實(shí)現(xiàn)，復(fù)合材料的阻尼主要來源于聚合物基體的粘彈性，其次是纖維與基體相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的耗散[19]。

Adams和Bacon[20]對纖維方向和層壓板幾何特性對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲和扭轉(zhuǎn)阻尼和模量的影響進(jìn)行了理論預(yù)測，并與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，后人稱之提出的理論為Adams-Bacon方法。該方法提出了正交各向異性層合板比阻尼能力的概念，其中為總耗散能，U為總應(yīng)變能； Adams和Maheri[21]利用單向復(fù)合材料的基本彈性關(guān)系, 結(jié)合Adams-Bacon阻尼準(zhǔn)則,對各向異性碳纖維布和玻璃鋼梁的阻尼進(jìn)行了預(yù)測，證明復(fù)合材料動(dòng)態(tài)性能與阻尼的變化有關(guān)；Hadj Youzera等[22]研究了3層對稱層合梁的阻尼和非線性受迫振動(dòng)，基于諧波平衡法和Galerkin方法，建立標(biāo)量復(fù)數(shù)非線性幅頻關(guān)系，針對各種幾何和材料特性得出頻率響應(yīng)曲線。

復(fù)合材料的鋪層方向是定義復(fù)合材料整體特性的基礎(chǔ)，合理的鋪層角度可實(shí)現(xiàn)材料阻尼的最大化[20]，從而體現(xiàn)復(fù)合材料的減振效果。Jeong等[23]在配備有光纖振動(dòng)計(jì)的真空室和電磁錘的條件下進(jìn)行高強(qiáng)度對稱層壓碳纖維環(huán)氧復(fù)合薄梁的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，獲得了鋪層角度與阻尼比的關(guān)系。Calim[24]研究了復(fù)合材料梁的自由與強(qiáng)迫振動(dòng)，用互補(bǔ)函數(shù)方法進(jìn)行數(shù)值求解，精確計(jì)算復(fù)合材料梁的動(dòng)態(tài)剛度矩陣，研究了非均勻性參數(shù)和纖維取向角對梁振動(dòng)響應(yīng)的影響。

3 復(fù)合材料基座在船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞控制中的應(yīng)用

復(fù)合材料在船舶上已應(yīng)用于上層建筑，螺旋槳，先進(jìn)桅桿系統(tǒng)等，但復(fù)合材料基座僅處于探索研究階段，并未有實(shí)船應(yīng)用實(shí)例[25]。

趙樹磊等[26]在實(shí)驗(yàn)中對比了金屬材料基座和復(fù)合材料基座的振動(dòng)傳遞性能，證明復(fù)合材料基座具有良好減振效果。郎彥[27]使用有限元法結(jié)合導(dǎo)納法對同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料基座和鋼基座的隔振系統(tǒng)振動(dòng)特性進(jìn)行比較。任賀厲[28]使用導(dǎo)納能量流理論，通過有限元方法比較了含單層隔振系統(tǒng)的鋼質(zhì)基座及復(fù)合材料基座的減振動(dòng)效果。楊德慶等[29]以功率流與振級落差為評價(jià)指標(biāo)對復(fù)合材料基座進(jìn)行減振效果評估，以鋼板厚度、復(fù)合材料鋪層數(shù)和鋪層角度為優(yōu)化變量，采用多島遺傳算法進(jìn)行求解，比較振源及肘板處替換復(fù)合材料的基座與鋼質(zhì)基座減振效果。張永勝等[30]以均方加速度響應(yīng)及基座輸入阻抗為評價(jià)指標(biāo)，為某平臺設(shè)計(jì)減振方案并進(jìn)行數(shù)值仿真。李國亮[31]以功率流為評價(jià)指標(biāo)，結(jié)合有限元法研究了材料剛度、阻尼及鋪層參數(shù)對基座減振效果的影響；通過激振試驗(yàn)，探究了碳纖維基座對隔振試驗(yàn)平臺固有振動(dòng)特性的影響并與鋼質(zhì)基座減振效果對比，證明碳纖維基座可有效減少激振力傳遞。

3.1 復(fù)合材料使用位置的計(jì)算分析

為數(shù)值分析復(fù)合材料基座的減振效果，在Abaqu內(nèi)建立如表1和表2所示的船體基座結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。采用自由分網(wǎng)劃分技術(shù)，設(shè)置近似全局尺寸為50，以S4R四節(jié)點(diǎn)曲殼單元模擬船體基座結(jié)構(gòu)，使用模態(tài)疊加法進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，以均方加速度為評價(jià)指標(biāo)，評估在肘板、腹板位置使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基座對船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞的控制效果，并比較在不同基體、不同鋪層參數(shù)下復(fù)合材料基座的減振能力。

在面板施加單位正弦載荷以模擬設(shè)備在0～500 Hz中低頻范圍內(nèi)由基座傳入的激振力，激振力通過基座傳遞到船舶殼體，在船體N201，N275，N4681，N8281四點(diǎn)處輸出加速度響應(yīng)傳遞函數(shù)，取均方響應(yīng)平均值，如圖4所示。

表 1 船體結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 1 Structural parameters of module

表 2 基座結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 2 Structural parameters of pedestal

圖 3 基座-船體結(jié)構(gòu)模型Fig. 3 Pedestal - Hull structure model

圖 4 加速度響應(yīng)點(diǎn)Fig. 4 Acceleration response point

為適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的輸入阻抗，并滿足實(shí)際應(yīng)用中面板需要打孔固定設(shè)備的要求，基座面板均使用鋼板。依次分析將基座肘板、腹板以及肘板腹板均替換為MT300/603復(fù)合材料時(shí)基座控制振動(dòng)傳遞的效果，鋪層方式采用[0]80，相關(guān)材料屬性參考文獻(xiàn)[32]。

無論何位置替換為復(fù)合材料的基座均可明顯降低鋼質(zhì)基座的共振峰值，最大可有效降低80%的加速度響應(yīng)，如圖5所示。同時(shí)替換兩板在大多數(shù)頻段內(nèi)放大了船體振動(dòng)響應(yīng)；在200～300 Hz頻段內(nèi)腹板替換為復(fù)合材料的基座響應(yīng)較小；在300～500 Hz頻段內(nèi)肘板替換為復(fù)合材料的基座響應(yīng)較小，如圖6所示。因此肘板為復(fù)合材料的基座可在較廣的頻段內(nèi)產(chǎn)生更佳的減振效果，說明改變肘板材料對基座減振性能影響最大，即在基座肘板處使用復(fù)合材料可以更好的控制設(shè)備振動(dòng)傳遞。

圖 5 復(fù)合材料與鋼質(zhì)基座響應(yīng)對比Fig. 5 Comparison of response between composite materials and steel pedestal

3.2 復(fù)合材料基體及鋪層角度的計(jì)算分析

使用同纖維不同樹脂基體的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料MT300/603及MT300/603A替換基座鋼質(zhì)肘板，鋪層方式采用[0]80。如圖7所示，2種基座輸出的加速度響應(yīng)具有一定差別，在峰值處最大相差50%，證明復(fù)合材料基體性質(zhì)對基座減振效果具有較大影響。

圖 6 三種復(fù)合材料基座響應(yīng)對比Fig. 6 Comparison of three composite pedestals responses

圖 7 不同基體的復(fù)合材料肘板減振效果對比Fig. 7 Comparison of damping effect of composite brackets with different substrates

最后驗(yàn)證不同鋪層角度對復(fù)合材料基座減振性能的影響，肘板替換MT300/603A，分別采用[0]80，[45/–45/0/90]20s，[0/90/–45/45]20s三種鋪層方式，如圖8所示。第2種鋪層方式在頻段內(nèi)可有效降低加速度響應(yīng)，較減振效果最弱的第1種鋪層方式最高可降低42%的船體振動(dòng)響應(yīng)，因此鋪層角度的改變對基座減振能力有著明顯的影響。

圖 8 三種鋪層角度的復(fù)合材料基座減振效果Fig. 8 Damping effect of composite pedestal with 3 ply-angles

4 結(jié) 語

本文對復(fù)合材料基座在船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹和總結(jié)，并通過算例分析驗(yàn)證了復(fù)合材料基座的應(yīng)用效果。由總結(jié)和分析可見：

1）復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)金屬材料有較高阻尼，在保證材料強(qiáng)度的前提下采用復(fù)合材料更有益于振動(dòng)控制；

2）復(fù)合材料基座相較于鋼質(zhì)基座具有更好的抑制船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞的效果，復(fù)合材料的使用位置、基體屬性及纖維鋪層角度均會(huì)影響基座的減振效果；現(xiàn)無多種復(fù)合材料的減振效果對比研究，復(fù)合材料基座研究領(lǐng)域仍有較大空白，需要進(jìn)行更深入的研究。

3）隔振系統(tǒng)與復(fù)合材料基座減振相結(jié)合，理論上可以更加高效的實(shí)現(xiàn)設(shè)備振動(dòng)傳遞的抑制，這應(yīng)是未來設(shè)備振動(dòng)控制的研究方向之一。