船舶齒輪傳動(dòng)裝置箱體振動(dòng)噪聲分析與控制研究進(jìn)展

王晉鵬，常 山，劉 更，劉 嵐，吳立言

（1.西安航空學(xué)院，西安710077；2.西北工業(yè)大學(xué) 陜西省機(jī)電傳動(dòng)與控制工程實(shí)驗(yàn)室，西安710072；3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)第703研究所，哈爾濱150078）

0 引 言

船舶作為支撐海洋戰(zhàn)略的核心力量，一直是各國(guó)優(yōu)先發(fā)展的重要裝備之一。船舶在航行時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，這種振動(dòng)噪聲不僅影響船艙的舒適性，更會(huì)對(duì)船舶（特別是艦船）的安全性造成嚴(yán)重威脅。研究表明[1]：艦船水下輻射噪聲增加6 dB，可使敵方聲納探測(cè)和攻擊距離提高一倍，并使我方的探測(cè)距離降低50%，從而大幅增加我方被發(fā)現(xiàn)的概率，使艦船生命力大幅降低，艦船的作戰(zhàn)性能大打折扣。

機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲以及水動(dòng)力噪聲是船舶上的三大噪聲[2]。其中機(jī)械噪聲的線譜最為明顯，處于低頻段，傳播得更遠(yuǎn)，是船舶（特別是艦船）的主要目標(biāo)特征信號(hào)[1]。動(dòng)力設(shè)備與傳動(dòng)裝置的振動(dòng)通過(guò)基座傳遞到船體，引起船體振動(dòng)并向水中輻射噪聲，形成機(jī)械噪聲。齒輪傳動(dòng)裝置作為船舶上主要的傳動(dòng)裝置，其振動(dòng)噪聲正是機(jī)械噪聲的主要來(lái)源之一。

箱體是齒輪傳動(dòng)裝置的重要組成部分，一方面齒輪系統(tǒng)的振動(dòng)會(huì)傳遞到箱體，引起箱體的振動(dòng)并向外輻射噪聲，影響船艙的舒適性；另一方面箱體的振動(dòng)會(huì)通過(guò)機(jī)腳傳遞給基座并最終傳遞到船體，引起船體振動(dòng)并產(chǎn)生水中噪聲，威脅船舶（特別是艦船）的安全性。目前船舶齒輪箱的機(jī)腳加速度級(jí)達(dá)到125～130 dB，已成為船舶動(dòng)力傳動(dòng)裝置振動(dòng)控制的瓶頸[2]?？梢钥闯鳊X輪傳動(dòng)裝置的振動(dòng)噪聲主要通過(guò)箱體體現(xiàn)并通過(guò)箱體傳遞到船體，因此在齒輪系統(tǒng)激勵(lì)不變的條件下對(duì)箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在箱體表面敷設(shè)阻尼材料等都是降低船舶齒輪傳動(dòng)裝置振動(dòng)噪聲的重要手段。本文針對(duì)船舶齒輪箱的結(jié)構(gòu)及安裝特征，重點(diǎn)從分析方法及控制措施兩方面總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的研究成果并提煉了需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

1 船舶齒輪傳動(dòng)裝置箱體的結(jié)構(gòu)及安裝特征

傳動(dòng)功率大、線速度高、動(dòng)力形式多樣是船舶齒輪傳動(dòng)裝置的主要特點(diǎn)。大型船舶齒輪傳動(dòng)裝置單軸傳遞功率通?？蛇_(dá)50 MW，大功率條件下齒輪箱的剛度對(duì)齒輪的正確嚙合有著明顯影響，為了保證齒輪的正確嚙合，箱體表面一般布置有很多肋板或者采用雙層結(jié)構(gòu)，以便增加齒輪箱的剛度[3-4]。大功率同時(shí)會(huì)導(dǎo)致齒輪及箱體結(jié)構(gòu)尺寸特別大，造成齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的線速度特別高，船舶齒輪的直徑最大可達(dá)5 m，節(jié)圓線速度可達(dá)120 m/s。動(dòng)力裝置的多樣性導(dǎo)致傳動(dòng)方式也出現(xiàn)了多種形式，傳動(dòng)形式的多樣性以及為了保證損壞后的推進(jìn)冗余性，導(dǎo)致齒輪箱的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜[2]。一些典型的船舶齒輪箱如圖1所示。

圖1 典型船舶齒輪箱Fig.1 The typical marine gearboxes

圖2 船舶齒輪箱典型的安裝方式Fig.2 The typical mounting ways of marine gearbox

船舶齒輪傳動(dòng)裝置通常安裝于船體基座上，常用的安裝方式包括剛性安裝、硬彈性安裝和彈性安裝[5]。剛性安裝是指齒輪箱與船體基座直接用法蘭剛性連接，該種連接方式在齒輪箱與基座之間并無(wú)隔振效果。硬彈性安裝和彈性安裝中齒輪箱與基座之間均有隔振裝置，如圖2所示。硬彈性安裝是指齒輪箱與船體基座間通過(guò)隔振器相連，彈性安裝是指將齒輪箱與其它設(shè)備統(tǒng)一安裝于浮筏上，浮筏再通過(guò)隔振器和限位器與船體基座相連。由于采用了浮筏隔振系統(tǒng)，彈性安裝的隔振效果要好于硬彈性安裝。

綜上所述，船舶齒輪箱主要的結(jié)構(gòu)及安裝特征包括：尺寸大、表面布有大量肋板、下箱體多采用雙層結(jié)構(gòu)、常采用剛性、硬彈性或彈性安裝等。充分考慮這些特征是實(shí)現(xiàn)船舶齒輪箱振動(dòng)噪聲準(zhǔn)確預(yù)估和有效控制的關(guān)鍵。

2 船舶齒輪傳動(dòng)裝置箱體振動(dòng)噪聲分析方法

2.1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析方法

準(zhǔn)確對(duì)船舶齒輪箱的振動(dòng)噪聲進(jìn)行預(yù)估是實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效控制的基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)外在船舶齒輪箱的固有特性以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析方面主要采用有限元法。針對(duì)船舶齒輪箱尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，如何選擇有限元分析模型是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)準(zhǔn)確預(yù)估的關(guān)鍵。朱才朝[6-7]，劉文[8]，林騰蛟[9]等采用的是全有限元模型，即將齒輪系統(tǒng)以及齒輪箱均建立有限元模型(如圖3所示)，在輪齒嚙合線上施加動(dòng)態(tài)激勵(lì)進(jìn)行振動(dòng)分析，該模型可以考慮齒輪系統(tǒng)與箱體之間的相互影響，但會(huì)增加計(jì)算規(guī)模，以文獻(xiàn)[8]為例，齒輪箱有限模型共包含86 418個(gè)節(jié)點(diǎn)，317 154個(gè)單元，而齒輪系統(tǒng)有限元模型共包含130 666個(gè)節(jié)點(diǎn)，476 902個(gè)單元，齒輪系統(tǒng)有限元模型的節(jié)點(diǎn)以及單元數(shù)量達(dá)到了齒輪箱的1.5倍。Tanaka[10]，周建星[11-12]，Guo等[13]只建立齒輪箱的有限元模型，將通過(guò)齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析得到的軸承動(dòng)載荷施加于軸承孔處，進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析（如圖4所示）。該模型對(duì)于齒輪系統(tǒng)與箱體間耦合效應(yīng)的考慮雖然沒(méi)有第一種模型全面，但由于不需要建立齒輪系統(tǒng)的有限元模型，計(jì)算規(guī)模較小，且抓住了主要問(wèn)題。兩種模型的對(duì)比如表1所示。

圖3 全有限元模型[7]Fig.3 The FE model[7]

圖4 集中質(zhì)量+有限元模型[12]Fig.4 Lumped mass+FE model[12]

表1 兩種分析模型的對(duì)比Tab.1 The comparation between two models

尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜是船舶齒輪箱的兩個(gè)主要特點(diǎn)，如果建立齒輪系統(tǒng)和箱體的全有限元模型，會(huì)造成計(jì)算規(guī)模過(guò)大。同時(shí)船舶齒輪箱的剛度一般較大，對(duì)齒輪系統(tǒng)的影響較小，因此第二種模型更適合于船舶齒輪箱的結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析。

2.2 輻射噪聲分析方法

齒輪傳動(dòng)裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不僅會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，還會(huì)產(chǎn)生輻射噪聲，其輻射噪聲主要由三部分組成[14]：（1）齒輪、軸等產(chǎn)生的噪聲穿透箱體產(chǎn)生的空氣噪聲；（2）軸端部振動(dòng)產(chǎn)生的輻射噪聲；（3）齒輪箱振動(dòng)產(chǎn)生的輻射噪聲。由于箱體的隔聲作用，第三部分是齒輪傳動(dòng)裝置輻射噪聲最主要的組成部分。目前對(duì)于齒輪傳動(dòng)裝置輻射噪聲的分析主要就是對(duì)第三部分進(jìn)行分析，分析方法主要包括有限元法，邊界元法，統(tǒng)計(jì)能量法，中頻混合法等。

有限元法用于聲學(xué)分析始于上世紀(jì)60年代中期[15]，其基本思想是將計(jì)算聲場(chǎng)離散成一定數(shù)量的小聲場(chǎng)（單元），小聲場(chǎng)之間通過(guò)一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)相互首尾連接，任意點(diǎn)上的聲壓可由節(jié)點(diǎn)上的聲壓換算得到。由于要對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如果將該方法用于外聲場(chǎng)問(wèn)題，特別是船舶齒輪箱這種大型結(jié)構(gòu)的外聲場(chǎng)問(wèn)題，網(wǎng)格數(shù)目會(huì)非常多，計(jì)算規(guī)模非常大。因此該方法更適用于內(nèi)聲場(chǎng)問(wèn)題[16]。

邊界元法應(yīng)用于聲學(xué)分析也始于上世紀(jì)60年代中期[17]，又可分為直接邊界元法和間接邊界元法。直接邊界元法的基本思想是建立聲場(chǎng)中某點(diǎn)處聲壓與結(jié)構(gòu)表面上壓強(qiáng)及速度之間的關(guān)系，通過(guò)結(jié)構(gòu)表面上的壓強(qiáng)和速度計(jì)算得到場(chǎng)點(diǎn)上的聲壓。間接邊界元法是建立聲場(chǎng)中某點(diǎn)處聲壓與結(jié)構(gòu)表面上的單層勢(shì)及雙層勢(shì)之間的關(guān)系，通過(guò)結(jié)構(gòu)表面上的單層勢(shì)和雙層勢(shì)計(jì)算得到場(chǎng)點(diǎn)上的聲壓。該方法只需要在結(jié)構(gòu)表面劃分面網(wǎng)格，因此計(jì)算規(guī)模明顯小于有限元法。但該方法在計(jì)算場(chǎng)點(diǎn)上的聲壓時(shí)必須首先確定邊界條件，主要是結(jié)構(gòu)表面上的法向速度。

結(jié)合有限元法在振動(dòng)分析以及邊界元法在聲學(xué)分析方面的優(yōu)點(diǎn)，逐漸形成了用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，以獲得的結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)速度為邊界條件用邊界元法進(jìn)行聲學(xué)分析的方法，該方法是目前齒輪傳動(dòng)裝置輻射噪聲分析中應(yīng)用最為廣泛的方法，其準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了驗(yàn)證。劉文等[8]用該方法對(duì)船舶齒輪箱的輻射噪聲進(jìn)行了預(yù)測(cè)并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，測(cè)點(diǎn)上的對(duì)比結(jié)果如圖5所示，峰值處兩者相差4.5%。焦映厚等[18]用該方法得到的齒輪箱輻射噪聲聲壓級(jí)與試驗(yàn)值僅相差1.04%。Guo等[13]用該方法得到的齒輪箱輻射噪聲與試驗(yàn)結(jié)果在嚙合頻率及其倍頻處的值比較吻合。但是網(wǎng)格劃分的大小決定著該方法可以計(jì)算的上限頻率，網(wǎng)格尺寸越小可以計(jì)算的上限頻率越高。船舶齒輪箱的主要特點(diǎn)就是尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格不可能劃分得過(guò)細(xì)，因此有限元/邊界元法只能很好地解決低頻段的噪聲計(jì)算問(wèn)題。

為了解決高頻段的噪聲計(jì)算問(wèn)題，已有學(xué)者將統(tǒng)計(jì)能量法應(yīng)用于齒輪箱中[19-20]，劃分的子系統(tǒng)如圖6所示。該方法在使用過(guò)程中存在著子系統(tǒng)劃分困難，模態(tài)損耗因子難以確定等問(wèn)題，特別是對(duì)于船舶齒輪箱這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在某個(gè)頻率下箱體中一些子結(jié)構(gòu)的模態(tài)密度滿足統(tǒng)計(jì)能量法的要求，但一些子結(jié)構(gòu)的模態(tài)密度并不滿足要求。有限元-統(tǒng)計(jì)能量混合法[21]可以解決這類問(wèn)題，目前已有學(xué)者將其用于齒輪箱的振動(dòng)噪聲分析[22]。雖然這方面的研究還相對(duì)較少，但有可能成為高速齒輪傳動(dòng)裝置輻射噪聲分析的重要方法。

圖5 有限元/邊界元法有效性的驗(yàn)證[8]Fig.5 The verification of FEM/BEM[8]

圖6 齒輪箱的統(tǒng)計(jì)能量法分析模型[20]Fig.6 The SEA model of gearbox[20]

上述分析方法均屬于數(shù)值方法，分析計(jì)算時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。為了能在設(shè)計(jì)階段根據(jù)齒輪系統(tǒng)的參數(shù)快速地獲得輻射噪聲，一些學(xué)者先后開(kāi)展了齒輪傳動(dòng)裝置輻射噪聲預(yù)估公式的研究[23-26]。周建星等[26]在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮齒輪參數(shù)、精度等級(jí)、工況條件提出的齒輪傳動(dòng)裝置噪聲預(yù)估公式如（1）式所示。該公式的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 安裝特征影響的計(jì)入方法

船舶齒輪箱通常剛性、硬彈性或彈性安裝于船體基座上，船體基座、隔振系統(tǒng)的特性對(duì)齒輪箱的振動(dòng)噪聲存在影響，準(zhǔn)確計(jì)入安裝特征的影響是實(shí)現(xiàn)船舶齒輪箱振動(dòng)噪聲準(zhǔn)確預(yù)估的前提。目前計(jì)入安裝特征影響的方法主要有兩種，一種是通過(guò)建立基座的有限元模型計(jì)入其影響，另一種是通過(guò)彈簧阻尼單元模擬基座和隔振系統(tǒng)的影響。林騰蛟[9]，焦映厚[18]等通過(guò)建立基座的有限元模型考慮了基座對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲的影響（如圖7（a）所示）。該方法一方面會(huì)增大計(jì)算規(guī)模，另一方面只有在基座結(jié)構(gòu)確定的條件下才有效，在設(shè)計(jì)的初始階段或基座結(jié)構(gòu)未知時(shí)其應(yīng)用會(huì)受到限制。周建星等[27]用彈簧阻尼單元模擬基座和隔振系統(tǒng)的影響（如圖7（b）所示），但并未給出單元的剛度和阻尼與基座結(jié)構(gòu)、隔振器參數(shù)之間的關(guān)系?？梢钥闯?，如何在船舶齒輪箱振動(dòng)噪聲分析中準(zhǔn)確有效計(jì)入基座和隔振系統(tǒng)的影響并未得到很好的解決。

圖7 計(jì)入安裝特征影響的方法Fig.7 The method to consider the influence of mounting system

4 船舶齒輪傳動(dòng)裝置箱體振動(dòng)噪聲控制措施

在準(zhǔn)確分析的基礎(chǔ)上選擇合適的控制措施是降低船舶齒輪箱振動(dòng)噪聲的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外艦船上針對(duì)齒輪箱，采用的振動(dòng)噪聲控制措施[28]包括：齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)和敷設(shè)阻尼材料等。

4.1 齒輪箱的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

齒輪箱結(jié)構(gòu)對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的振動(dòng)噪聲有著明顯影響，因此對(duì)齒輪箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以有效控制齒輪傳動(dòng)裝置的振動(dòng)噪聲。目前以降低振動(dòng)噪聲為目標(biāo)，指導(dǎo)齒輪箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方法主要包括兩種，一種是聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析，另一種是結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

聲學(xué)貢獻(xiàn)量包括板面聲學(xué)貢獻(xiàn)量和模態(tài)聲學(xué)貢獻(xiàn)量。通過(guò)板面聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析可以確定出對(duì)輻射噪聲貢獻(xiàn)最大的板面，對(duì)該板面進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)(增加厚度、添加肋板、添加阻振質(zhì)量等)可降低輻射噪聲。板面聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析從提出開(kāi)始[29]主要應(yīng)用于車內(nèi)噪聲的降低[30-33]，近幾年才開(kāi)始應(yīng)用于齒輪箱的振動(dòng)噪聲控制[10，34-35]。周建星等[35]運(yùn)用此方法確定出了對(duì)目標(biāo)場(chǎng)點(diǎn)上輻射噪聲貢獻(xiàn)較大的板面，并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)方式如圖8所示，結(jié)果表明改進(jìn)后峰值處的聲壓級(jí)降低了12 dB。通過(guò)模態(tài)聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析可以確定出對(duì)輻射噪聲貢獻(xiàn)較大的模態(tài)階數(shù)，針對(duì)相應(yīng)主振型中有明顯彎曲振型的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)可降低輻射噪聲[36]。王晉鵬等結(jié)合板面聲學(xué)貢獻(xiàn)量和模態(tài)聲學(xué)貢獻(xiàn)量，提出了一種可以快速準(zhǔn)確地確定有效改進(jìn)區(qū)域的方法，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)可明顯降低齒輪箱的輻射噪聲[37]。

圖8 根據(jù)板面聲學(xué)貢獻(xiàn)量的結(jié)構(gòu)改進(jìn)[34]Fig.8 The structure improvement of gearbox according to the results of panel acoustic contribution analysis

結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包括尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化及拓?fù)鋬?yōu)化三種。自1970年Fox等[38]首先將形貌優(yōu)化用于動(dòng)力學(xué)問(wèn)題之后，尺寸優(yōu)化和形貌優(yōu)化在振動(dòng)噪聲控制中得到了廣泛應(yīng)用。與尺寸優(yōu)化和形貌優(yōu)化相比，拓?fù)鋬?yōu)化允許設(shè)計(jì)者有更多的設(shè)計(jì)自由度，因而可以獲得更有效的結(jié)構(gòu)形式[39]，是目前最常用的方法。拓?fù)鋬?yōu)化的基本方法主要包括均勻化法[40]、變密度法[41]、進(jìn)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化法[42-43]及水平集法[44]等，其中變密度法最為常用。

優(yōu)化目標(biāo)和約束條件是優(yōu)化模型中非常重要的參數(shù)，在振動(dòng)噪聲問(wèn)題的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中常用的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件包括三大類：

（1）與結(jié)構(gòu)固有特性相關(guān)的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，包括某階固有頻率最大化，某兩階固有頻率之差最大化，固有頻率大于或小于特定值等。由于計(jì)算量小，該類優(yōu)化目標(biāo)和約束條件在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛。Marburg等[45]以第一階固有頻率最大為目標(biāo)對(duì)車輛擱板進(jìn)行了形貌優(yōu)化。賈維新等[46]以第8階固有頻率最大為目標(biāo)對(duì)油底殼進(jìn)行了形貌優(yōu)化，優(yōu)化后輻射噪聲降低了3 dB。Park等[47]以空氣壓縮機(jī)為例，通過(guò)試驗(yàn)確定了對(duì)噪聲峰值影響最大的模態(tài)階數(shù)，并以該階模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率最大為目標(biāo)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后輻射噪聲明顯減小。李民[48]和盧兆剛[49]等分別以第一階固有頻率最大為目標(biāo)，以第5階固有頻率大于1 750 Hz為約束條件對(duì)齒輪室罩蓋進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后齒輪室輻射噪聲有了明顯降低。王連生等[50]將缸蓋罩的靜態(tài)整體剛度和多階關(guān)鍵固有頻率統(tǒng)一為多目標(biāo)函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行了形貌優(yōu)化，優(yōu)化后總聲功率級(jí)降低了3.5 dB（A）。廖芳等[51]以第四階固有頻率最大化對(duì)變速器箱體進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后各區(qū)域上的聲功率級(jí)最大下降了1.8 dB。張義波等[52]以第一階固有頻率最大化對(duì)縫紉機(jī)油盤進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化，優(yōu)化后主要峰值頻率處的振動(dòng)速度幅值降低了20%～30%，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)上的A聲級(jí)降低了1.7 dB。Hua等[53]以機(jī)械槍為研究對(duì)象，通過(guò)瞬態(tài)分析確定出了主要振動(dòng)模態(tài)，以該階模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率最大為目標(biāo)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后振動(dòng)明顯減小。

（2）與結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)相關(guān)的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，包括振動(dòng)能量最小，頻率響應(yīng)最小等。Inoue等[54]分別以平板及簡(jiǎn)單箱體為研究對(duì)象，以振動(dòng)能量最小為優(yōu)化目標(biāo)，將每個(gè)單元上肋板的厚度及長(zhǎng)度作為變量，采用形貌優(yōu)化對(duì)肋板布局進(jìn)行了優(yōu)化。Bos等[55]以齒輪箱體為研究對(duì)象，以各節(jié)點(diǎn)的厚度為變量，以平均振級(jí)最小為優(yōu)化目標(biāo)獲得了箱體表面各節(jié)點(diǎn)的厚度分布。杜憲峰等[56]以柴油機(jī)機(jī)體為研究對(duì)象，以振動(dòng)烈度最小為目標(biāo)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后整機(jī)振動(dòng)烈度降低了32.1%。王峰[57]首先以齒輪箱軸承孔附近的結(jié)構(gòu)柔度最小和低階固有頻率最大為目標(biāo)，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化獲得了加強(qiáng)筋的布局位置；又以箱體兩側(cè)機(jī)腳中點(diǎn)處垂向加速度均方根值最小為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)加強(qiáng)筋的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后箱體最大減振幅度達(dá)18.3%。方源等[58]以峰值處的加速度最小為目標(biāo)對(duì)減速器箱體進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化，優(yōu)化后減速器的噪聲品質(zhì)有了明顯改善。郭圣剛等[59]以振動(dòng)烈度總級(jí)值最小為目標(biāo)對(duì)油底殼進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后整機(jī)聲壓級(jí)平均降低了約2.5 dB（A）。

（3）與聲學(xué)響應(yīng)相關(guān)的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，包括聲功率最小，指定場(chǎng)點(diǎn)上的聲壓最小等。該類優(yōu)化目標(biāo)和約束條件由于計(jì)算量大，目前主要應(yīng)用在一些簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)中。Inoue等[54]以輻射聲功率最小為優(yōu)化目標(biāo)，將每個(gè)單元上肋板的厚度及長(zhǎng)度作為變量，采用形貌優(yōu)化對(duì)平板和簡(jiǎn)單箱體上的肋板布局進(jìn)行了優(yōu)化。Luo等[60]以聲學(xué)激勵(lì)最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化獲得了最優(yōu)的肋板分布，并將該方法用于長(zhǎng)方形箱體中。Du[39，61]和Xu等[62]以復(fù)合板為研究對(duì)象，分別以聲功率最小和指定場(chǎng)點(diǎn)上的聲壓最小為目標(biāo)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化研究。黃銀龍等[63]以聲功率最小為目標(biāo)，以聲功率模態(tài)靈敏度為指導(dǎo)對(duì)簡(jiǎn)支板進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。

在指導(dǎo)齒輪箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)的兩種方法中，聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析的計(jì)算規(guī)模小，但其只能控制輻射噪聲，并不能控制箱體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，而在船舶齒輪傳動(dòng)裝置中更關(guān)心箱體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，尤其是機(jī)腳處的振動(dòng)；并且該方法只能確定有效改進(jìn)區(qū)域，并不能確定改進(jìn)方式。直接以結(jié)構(gòu)響應(yīng)或聲學(xué)響應(yīng)為優(yōu)化目標(biāo)或約束條件，雖然能獲得最優(yōu)的改進(jìn)方式，但計(jì)算規(guī)模會(huì)非常大，特別是針對(duì)于船舶齒輪箱這種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)；目前在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中多以固有頻率為優(yōu)化目標(biāo)或約束條件，這種優(yōu)化目標(biāo)和約束條件并不直接。兩種方法的對(duì)比如表2所示。

表2 兩種指導(dǎo)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法的對(duì)比Tab.2 The comparation between two methods to guide the structure improvement

為了減小結(jié)構(gòu)優(yōu)化的計(jì)算規(guī)模，目前已有學(xué)者將聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)合使用，通過(guò)聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參數(shù)。舒磊等[64]通過(guò)板面貢獻(xiàn)量分析確定出了貢獻(xiàn)量較大的板面，并將該板面作為設(shè)計(jì)區(qū)域，以第一階固有頻率最大化對(duì)駕駛室進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化，優(yōu)化后輻射噪聲有了明顯降低。李宏坤等[65]通過(guò)板面貢獻(xiàn)量分析確定出了貢獻(xiàn)量較大的板面，并以降低該板面的輻射效率以及提高第三階固有頻率為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得了最優(yōu)的壁厚組合，分析結(jié)果表明優(yōu)化后箱體的輻射噪聲有了明顯降低。

4.2 阻尼材料應(yīng)用

在軸承上或箱體表面敷設(shè)阻尼材料也是控制船舶齒輪箱振動(dòng)噪聲的重要手段。戴光昊等[66]在軸承上安裝阻尼支撐圈（如圖9所示）后的試驗(yàn)結(jié)果表明，齒輪箱機(jī)腳上嚙合頻率處的振動(dòng)加速度幅值由6.5 m/s2降至3 m/s2，倍頻處的幅值由2 m/s2降至1 m/s2。

圖9 在滑動(dòng)軸承上安裝阻尼支撐圈[66]Fig.9 Assembling damping support structure on sliding bearing[66]

針對(duì)船舶齒輪箱結(jié)構(gòu)尺寸大的特點(diǎn)，只有將阻尼材料敷設(shè)在合理的位置才能起到減振降噪作用。目前確定阻尼材料有效敷設(shè)位置的方法有三種：（1）在聲學(xué)貢獻(xiàn)量較大的區(qū)域上敷設(shè)阻尼材料。該方法目前主要用在車內(nèi)噪聲的控制[67-68]，并且該方法只能控制輻射噪聲。（2）在結(jié)構(gòu)模態(tài)應(yīng)變能較大的區(qū)域上敷設(shè)阻尼材料。侯守武[69]在減速箱結(jié)構(gòu)模態(tài)應(yīng)變能較大的區(qū)域上敷設(shè)了約束阻尼層，結(jié)果表明箱體結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)上的振動(dòng)都有所降低，最多的降低了10 dB左右。（3）采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化確定敷設(shè)位置，優(yōu)化目標(biāo)包括：目標(biāo)場(chǎng)點(diǎn)上的聲壓級(jí)最小[70]、模態(tài)損耗因子最大[71]，動(dòng)柔度最小[72]等。由于計(jì)算規(guī)模大，該方法目前還未用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

在船舶齒輪箱表面常用的阻尼材料敷設(shè)方式包括自由阻尼和約束阻尼[73]。自由阻尼是將自由黏彈性阻尼材料直接敷涂在箱體表面，約束阻尼是在箱體表面先粘貼一層黏彈性阻尼層，在阻尼層上再粘貼一層彈性材料作為約束層。其中自由阻尼適用于拉壓變形耗能的結(jié)構(gòu)，約束阻尼適用于剪切變形耗能的結(jié)構(gòu)[74]。

阻尼材料的敷設(shè)厚度也是影響減振效果的一個(gè)重要因素，阻尼材料太薄則減振效果不明顯，太厚則會(huì)造成材料的浪費(fèi)以及重量的明顯增加。以厚度為變量進(jìn)行影響因素分析以及參數(shù)優(yōu)化是目前確定敷設(shè)厚度的兩種方法。韓江桂等[75]在對(duì)不同厚度阻尼層的減振效果進(jìn)行分析后表明，阻尼層厚度為其本體厚度的1/3時(shí)可以達(dá)到理想的減振效果。焦映厚[76]等運(yùn)用參數(shù)優(yōu)化求取了相應(yīng)約束條件下的最佳阻尼層厚度。

5 需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題

5.1 船舶齒輪箱振動(dòng)噪聲的全頻域分析方法

有限元/邊界元法已經(jīng)可以很好地解決船舶齒輪箱低頻段的振動(dòng)噪聲問(wèn)題。但在中頻段，有限元-統(tǒng)計(jì)能量混合法在齒輪箱中的應(yīng)用才剛起步，目前還存在著子系統(tǒng)劃分困難，有限元部分的單元?jiǎng)澐诌^(guò)于簡(jiǎn)單等問(wèn)題。在高頻段，統(tǒng)計(jì)能量法在薄殼類結(jié)構(gòu)的分析中較成熟，但在齒輪箱的分析中尚不成熟。因此，如何在全頻域范圍內(nèi)對(duì)船舶齒輪箱進(jìn)行振動(dòng)噪聲分析尚未得到很好的解決。

5.2 船舶齒輪箱安裝特征的等效方法

通過(guò)建立基座和隔振系統(tǒng)的有限元模型可以計(jì)入基座和隔振系統(tǒng)對(duì)船舶齒輪箱振動(dòng)噪聲的影響，但這種方法會(huì)增加計(jì)算規(guī)模，并且不適用于設(shè)計(jì)的初始階段及基座結(jié)構(gòu)未知的情況。如何在只知道基座阻抗、隔振器參數(shù)的條件下，在船舶齒輪箱的振動(dòng)噪聲分析中合理計(jì)入安裝特征的影響需要進(jìn)一步研究。

5.3 船舶齒輪箱低噪聲結(jié)構(gòu)優(yōu)化和阻尼布局方法

貢獻(xiàn)量分析可以指導(dǎo)船舶齒輪箱的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和阻尼布局，但其只能控制輻射噪聲，在船舶上更關(guān)心如何降低齒輪箱機(jī)腳處的振動(dòng)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化由于計(jì)算規(guī)模的限制，目前在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中多以固有頻率最大為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化目標(biāo)并不直接。雖然已有學(xué)者將貢獻(xiàn)量分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合，通過(guò)貢獻(xiàn)量分析為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參數(shù)，減小結(jié)構(gòu)優(yōu)化的計(jì)算規(guī)模，但相關(guān)研究才剛起步，目前的優(yōu)化目標(biāo)還集中在固有頻率最大。因此如何將貢獻(xiàn)量分析或傳遞路徑分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合，在計(jì)算規(guī)模允許的條件下提出更為直接的優(yōu)化目標(biāo)或約束條件，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化獲得箱體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方式或阻尼材料的敷設(shè)位置仍需進(jìn)一步研究。

5.4 主動(dòng)約束阻尼結(jié)構(gòu)在船舶齒輪箱中的應(yīng)用技術(shù)

被動(dòng)阻尼結(jié)構(gòu)由于具有設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)際中得到了大量應(yīng)用。但黏彈性阻尼材料的剪切模量和阻尼損耗因子隨溫度和振動(dòng)頻率等變化較大[77]，會(huì)直接影響減振效果。為了克服這種缺點(diǎn)，上世紀(jì)90年代，Baz等[78]提出了主動(dòng)約束阻尼結(jié)構(gòu)。主動(dòng)約束阻尼結(jié)構(gòu)的基本組成如圖10所示，其基本工作原理[79]為當(dāng)基體上下振動(dòng)時(shí)，傳感器產(chǎn)生感知電壓，放大器將該電壓放大，控制器將放大后的電壓反相成為控制電壓，并將其反饋到約束層，約束層由于壓電效應(yīng)而收縮，從而帶動(dòng)阻尼層產(chǎn)生剪切變形，并最終抑制振動(dòng)。研究表明主動(dòng)約束阻尼結(jié)構(gòu)比被動(dòng)約束阻尼結(jié)構(gòu)有更好的抑制振動(dòng)的效果[77]。但是，主動(dòng)約束阻尼結(jié)構(gòu)在船舶齒輪箱這種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還存在較大的困難，這方面的研究將會(huì)受到相關(guān)科研人員的關(guān)注。

圖10 主動(dòng)約束阻尼結(jié)構(gòu)的基本組成[77]Fig.10 The composition of active constrained layer damping[77]