浮筏筏體結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及隔振性能分析

李志遠(yuǎn)，彭子龍，溫華兵，夏兆旺，吳俊杰

（江蘇科技大學(xué) 振動(dòng)噪聲研究所，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

船舶和艦艇在低速和中速航行時(shí)，影響其隱蔽性和探測(cè)能力的主要因素是機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的輻射噪聲。振動(dòng)通過(guò)支撐基座、管路系統(tǒng)等傳至船體，激勵(lì)船體振動(dòng)并向水中輻射噪聲[1]。

在艦船艙室內(nèi)，將兩臺(tái)或兩臺(tái)以上動(dòng)力機(jī)械設(shè)備通過(guò)上層隔振器共同安裝在一個(gè)較大的中間質(zhì)量（筏體）上，筏體再通過(guò)下層隔振器安裝在船體基座上，這就是浮筏隔振系統(tǒng)的基本構(gòu)成。其中，浮筏隔振系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 浮筏隔振系統(tǒng)示意圖

浮筏隔振裝置不僅可以有效利用船舶的空間和負(fù)載，而且其中間質(zhì)量具有很大的機(jī)械阻抗，有利于提高隔振效果[2]。

以往的研究中，學(xué)者們對(duì)影響浮筏隔振系統(tǒng)隔振性能的隔振器剛度、阻尼參數(shù)和筏體、基座等參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和分析，并得出了較為一致的結(jié)論，為以后的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。文獻(xiàn)[4-8]通過(guò)多剛體動(dòng)力學(xué)分析方法、有限元分析方法、阻抗綜合分析方法、四端參數(shù)法以及功率流分析等方法對(duì)浮筏隔振裝置進(jìn)行了計(jì)算與分析。其中，有限元法雖然建模計(jì)算分析過(guò)程略微復(fù)雜，但由于其可對(duì)筏體和基座進(jìn)行精確建模并實(shí)現(xiàn)剛體和彈性體的自由設(shè)置，大大提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，是目前浮筏系統(tǒng)仿真計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的一種方法[9]。使用有限元法計(jì)算時(shí)，可以對(duì)中間筏體進(jìn)行準(zhǔn)確性較高的模擬，通過(guò)調(diào)整筏體的結(jié)構(gòu)形式對(duì)系統(tǒng)的隔振效果進(jìn)行計(jì)算和分析。

以往的學(xué)者們對(duì)于浮筏筏體結(jié)構(gòu)的研究較少，目前最新的進(jìn)展是周期結(jié)構(gòu)浮筏，其能夠在某一較小頻段取得理想的隔振效果[10]。但是，周期結(jié)構(gòu)浮筏的筏體結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，制造加工也存在較多問(wèn)題，所以在工程實(shí)際中往往不予采用。針對(duì)當(dāng)前對(duì)于筏體結(jié)構(gòu)研究不足的現(xiàn)狀，基于理論研究和工程實(shí)際相結(jié)合的思想，對(duì)浮筏筏體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)并計(jì)算其隔振效果。

1 浮筏隔振系統(tǒng)有限元建模

本文研究的多擾動(dòng)源浮筏隔振系統(tǒng)由某船用雙臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組、上層隔振器、下層隔振器、筏體和基座構(gòu)成。由于某船特殊航行和工作條件，對(duì)其艙室內(nèi)電力和動(dòng)力機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)、沖擊和噪聲指標(biāo)要求較高。在隔振設(shè)計(jì)中，首先要做到的是弄清被隔振機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)激勵(lì)特性。柴油發(fā)電機(jī)組的擾動(dòng)力可以分為柴油機(jī)的擾動(dòng)力和發(fā)電機(jī)的擾動(dòng)力，考慮到在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，作為往復(fù)機(jī)械的柴油機(jī)擾動(dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的發(fā)電機(jī)擾動(dòng)力，與柴油機(jī)相比，發(fā)電機(jī)的擾動(dòng)力可以忽略不計(jì)[11]。文中被隔振的柴油發(fā)電機(jī)組重量約4 500 kg，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，柴油機(jī)是“V”型12 缸機(jī)，機(jī)組前3 階擾動(dòng)力頻率分別為25 Hz、50 Hz和75 Hz。

原設(shè)計(jì)參數(shù)浮筏筏體三維模型見(jiàn)圖2，浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型如圖3所示。

有限元建模的過(guò)程中，依據(jù)外形尺寸基本保持一致的原則，將柴油機(jī)簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體，飛輪和發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化為兩個(gè)圓柱體，公共底座簡(jiǎn)化為一個(gè)厚度與實(shí)際接近的長(zhǎng)方體板。

圖2 原設(shè)計(jì)參數(shù)筏體三維模型

圖3 浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型

根據(jù)調(diào)整柴油機(jī)、飛輪、發(fā)電機(jī)和公共底座的密度，使整個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組的重心位置和整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)際保持一致。為研究柴油發(fā)電機(jī)組經(jīng)過(guò)浮筏隔振裝置后傳遞到基座的振動(dòng)傳遞率，筏體和基座均需要按照實(shí)際尺寸精確建模。筏體由上面板、下面板和中間肋板構(gòu)成。筏體寬度方向（橫向）長(zhǎng)為3.2 m，長(zhǎng)度方向（縱向）長(zhǎng)為2.8 m，筏體內(nèi)部橫向和縱向分別有4 條主肋板，上層隔振器安裝位置設(shè)置有橫向小肋板。由于柴油機(jī)油底殼的存在，筏體上面板兩側(cè)為下凹式結(jié)構(gòu)，給柴油機(jī)油底殼留出充足安裝空間。筏體垂向高度為0.35 m，下凹部分垂向高度為0.18 m。為減輕筏體多余重量，筏體上面板和下面板均為開(kāi)孔平板。筏體所有面板及肋板均采用厚度為20 mm的不銹鋼板。載荷和約束分別通過(guò)在柴油發(fā)電機(jī)組重心上方施加一個(gè)激振力和基座下板下方多點(diǎn)的固定約束模擬。上層采用WHG-600剪切壓縮型橡膠隔振器，下層采用SJD-1200抗沖擊型隔振器，相關(guān)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

在有限元中，上層隔振器和下層隔振器均采用Bushing 單元模擬。上層隔振器和下層隔振器阻尼比均取0.08，其阻尼系數(shù)可按如下表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算

式中：m為隔振器工作時(shí)的負(fù)載質(zhì)量，k為隔振器的動(dòng)剛度，C為阻尼系數(shù)，ξ為阻尼比。

2 筏體改進(jìn)設(shè)計(jì)及隔振性能分析

2.1 基于提高筏體整體剛度思想對(duì)筏體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

筏體的抗扭剛度和抗彎剛度主要體現(xiàn)在筏體一扭、一彎和彎扭復(fù)合的模態(tài)固有頻率上。筏體的一扭、一彎和彎扭復(fù)合的模態(tài)固有頻率越高，表明筏體的整體抗扭剛度和抗彎剛度越好。為了進(jìn)一步提升浮筏的隔振性能，避免共振發(fā)生，在保證總體尺寸和重量在一定范圍的情況下，不斷調(diào)整筏體結(jié)構(gòu)，增加筏體的抗扭和抗彎剛度，使得增加的重量得到最有效利用。

表1 隔振器相關(guān)力學(xué)參數(shù)

這里采用的方案是在筏體兩側(cè)下凹部位增加兩條45°角的縱向斜板。斜板長(zhǎng)度與筏體長(zhǎng)度一致為2.8 m，寬度為0.24 m，厚度為20 mm。增加兩條斜板后，重量增加約為筏體總重的5%，改進(jìn)前后筏體肋板結(jié)構(gòu)前視圖如圖4所示。

圖4 普通和加斜板筏體肋板結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)改進(jìn)筏體結(jié)構(gòu)，提高了筏體一扭、一彎和彎扭復(fù)合的模態(tài)固有頻率，改進(jìn)前后的筏體前3 階模態(tài)振型見(jiàn)表2。

對(duì)筏體改進(jìn)前后的浮筏隔振系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，計(jì)算得到改進(jìn)前后的浮筏系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率如圖5所示。

圖5 改進(jìn)前后浮筏隔振性能對(duì)比

由圖5和表2可知，增加的2條縱向斜板即增加了筏體的抗扭和抗彎剛度，有效提升了筏體的一扭、一彎和彎扭復(fù)合的固有頻率。在100 Hz 以下頻段內(nèi)，加斜板前后浮筏的振動(dòng)傳遞率基本保持一致；在100 Hz～400 Hz 頻段范圍內(nèi)，由于筏體前幾階模態(tài)固有頻率增加的影響，加斜板后共振峰值的對(duì)應(yīng)頻率明顯提高；在400 Hz～1 000 Hz頻段范圍內(nèi)，加斜板后系統(tǒng)大部分共振峰值明顯小于原浮筏系統(tǒng)。

2.2 基于結(jié)構(gòu)不連續(xù)的阻波思想對(duì)筏體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

改進(jìn)筏體中部肋板結(jié)構(gòu)，擬采用間斷肋筏體[12]。筏體四周使用完整長(zhǎng)肋板，保證筏體整體具有較高的剛度。筏體中部主肋板進(jìn)行打斷，橫向主肋板兩側(cè)打斷部分長(zhǎng)度為0.45 m，縱向主肋板兩側(cè)打斷部分長(zhǎng)度為0.18 m，在被打斷的兩側(cè)縱向主肋板中間部分設(shè)置長(zhǎng)度為0.65 m 的橫向肋板形成交叉肋板。改進(jìn)前后筏體肋板結(jié)構(gòu)上視圖如圖6所示。

圖6 普通和間斷肋筏體肋板結(jié)構(gòu)示意圖

改進(jìn)前后筏體重量差小于總重的3%，因此，重量方面改變引起系統(tǒng)隔振效果的變化可以忽略不計(jì)。對(duì)2種筏體自由模態(tài)進(jìn)行計(jì)算，表3給出部分計(jì)算結(jié)果。

其中間斷肋式筏體比普通筏體在600 Hz～1 000 Hz頻段范圍內(nèi)多出2階模態(tài)，其模態(tài)振型圖見(jiàn)圖7。

同時(shí)對(duì)2 種浮筏隔振系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)傳遞率計(jì)算，得到系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率對(duì)比見(jiàn)圖8。

從圖8中可以看出，在0～360 Hz頻段范圍內(nèi)，2種浮筏系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞率幾乎保持一致；在360 Hz～600 Hz 頻段范圍內(nèi)，2 種浮筏振動(dòng)傳遞率各有高低，考慮其原因是兩種筏體的模態(tài)各有不同導(dǎo)致的。在600 Hz～1 000 Hz 頻段范圍內(nèi)，間斷肋浮筏隔振效果明顯好于普通浮筏。

表2 改進(jìn)前后筏體自由和負(fù)載狀態(tài)下主要模態(tài)振型及固有頻率

圖7 改進(jìn)筏體多出的兩階模態(tài)振型

圖8 改進(jìn)前后浮筏隔振性能對(duì)比

由表3可知，在600 Hz～1 000 Hz 頻段范圍內(nèi)，間斷肋筏體多出了兩階模態(tài)。由于筏體主肋板的間斷，間斷肋筏體出現(xiàn)了更多的模態(tài)使其振動(dòng)能量較為分散，同時(shí)間斷肋筏體在中高頻段模態(tài)包括較多的扭轉(zhuǎn)，浮筏振動(dòng)傳遞率降低。并且，中高頻振動(dòng)波與低頻振動(dòng)波相比其波長(zhǎng)較短，在間斷肋筏體中傳播時(shí)更容易發(fā)生反射和衰減，從而消耗掉更多的能量。

2.3 基于局域共振阻振質(zhì)量的思想對(duì)筏體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

基于提高筏體局部剛度和阻振質(zhì)量[13]的思想，在筏體主肋板四周即隔振器安裝位置加肋板，肋板長(zhǎng)度為0.25 m，高度和其它肋板高度一致為0.31 m，厚度為20 mm，改進(jìn)前后筏體肋板結(jié)構(gòu)上視圖如圖9所示。

增加的肋板使得筏體局部剛度有所增加，并且也起到了一定的阻振質(zhì)量的作用。增加的肋板質(zhì)量約為筏體重量總重量的5%，重量方面改變引起系統(tǒng)隔振效果的變化可以忽略不計(jì)。其中圖10為改進(jìn)筏體的部分模態(tài)振型圖，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析求得改進(jìn)前后系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率如圖11所示。

圖9 普通和加小肋板筏體肋板結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 改進(jìn)筏體部分模態(tài)振型

圖11 改進(jìn)前后浮筏隔振性能對(duì)比

由圖11可知，在200 Hz 以下頻段內(nèi)，加肋板浮筏比普通浮筏多出了幾個(gè)共振峰。其中，在13 Hz和110 Hz處的共振峰使得振動(dòng)產(chǎn)生了一定放大。在200 Hz～1 000 Hz 頻段范圍內(nèi)，加肋板后的浮筏共振峰明顯多于普通浮筏，且隔振效果明顯好于普通浮筏約30 dB。肋板的增多使得筏體在中高頻的模態(tài)數(shù)增加，局域共振增加，振動(dòng)波在筏體中的反射增加，振動(dòng)波衰減增大。同時(shí)，增加的肋板也起到了一定的阻振質(zhì)量的作用，更好地降低系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞率。

將原設(shè)計(jì)筏體和3種改進(jìn)方案的振動(dòng)傳遞率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，取倍頻程下5個(gè)主要頻率點(diǎn)，其分別為63 Hz、125 Hz、250 Hz、500 Hz 和1 kHz。繪制出4 種方案在5 個(gè)主要頻率點(diǎn)下的振動(dòng)傳遞率如圖12所示。

加斜板浮筏在前3個(gè)低頻率點(diǎn)和原浮筏振動(dòng)傳遞率相差不大，在后2 個(gè)高頻率點(diǎn)隔振效果略好于原浮筏；間斷肋浮筏在500 Hz 時(shí)隔振效果變差，在1 kHz 時(shí)隔振效果明顯好于原浮筏；加肋板浮筏在125 Hz 時(shí)隔振效果變差，但在后3 個(gè)高頻率點(diǎn)處隔振效果提升明顯。

表3 兩種筏體部分模態(tài)固有頻率

圖12 倍頻程下4種方案隔振效果

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組浮筏隔振裝置的有限元模型，基于筏體改進(jìn)的基本思想提出了3種筏體的主要結(jié)構(gòu)改進(jìn)方式，分別探討了每種改進(jìn)方式下的系統(tǒng)隔振性能，得到的主要結(jié)論如下：

基于提高筏體抗扭和抗彎剛度改進(jìn)思想，提出在筏體易彎曲位置加斜板，提升筏體抗扭和抗彎剛度會(huì)使筏體前幾階模態(tài)固有頻率提高，中高頻段共振峰值降低，整體隔振效果提升；基于結(jié)構(gòu)不連續(xù)的阻波思想，改進(jìn)設(shè)計(jì)了間斷肋浮筏并計(jì)算了其隔振性能，結(jié)果表明低頻段與普通浮筏隔振效果保持一致，中高頻段隔振效果良好；基于局域共振和阻振質(zhì)量思想，提出在隔振器位置加肋板，相較于普通浮筏其在中高頻段隔振效果提升明顯。