管路彈性穿艙件隔振與密封技術

陳國鋒，李 偉，王 博，李 盼

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

降低設備和系統(tǒng)管路對艦船水下輻射噪聲的貢獻，最有效的措施是采取機械振動隔離技術，如單層隔振、雙層隔振和艙筏等各種形式的隔振裝置[1]，而決定隔振裝置隔振效果的重要部件是阻尼元件。用于隔振裝置的彈性元件主要有隔振器、撓性接管、限位器和管路彈性支撐等。

艦船流體系統(tǒng)管路在穿過耐壓隔艙壁、金屬圍壁等艙壁時，為保證所穿艙壁或金屬圍壁的強度與密封，一般采用管路穿艙件，而管路穿艙件直接焊接在艙壁板上。該安裝方式為剛性連接，流體管路的結構振動和流體振動激勵會直接傳遞到艙壁上，從而誘發(fā)艙壁的振動[2 ?3]。從艦船流體系統(tǒng)管路中采用的管路支吊架彈性安裝、管路阻尼包覆等減振降噪技術的應用效果來看[4?5]，采用含有阻尼元件的管路穿艙連接技術可解決現(xiàn)有剛性穿艙連接存在的振動傳遞問題，而艦船艙壁為承壓面，在滿足隔振要求的同時，彈性穿艙件不能破壞艙壁的承壓能力，因此要求彈性穿艙件達到與艙壁相同的承壓能力。

本文設計一種彈性穿艙件，對其隔振特性和隔艙密封特性進行分析，并通過仿真驗證隔振性能和隔艙密封性能。

1 隔振與密封分析

1.1 隔振技術分析

阻尼技術是目前減振降噪的主要手段之一，具有在基本不改變原設計及安裝的情況下進行有效減振降噪。在隔振對象上進行阻尼處理主要有2 種形式：自由阻尼和約束阻尼。穿艙件為兩段，均需固定，因此采用約束阻尼結構。為減少流體振動能量沿管路向艙壁的傳遞，通過在過流管和固定管之間設置一層彈性體（又稱“阻尼層”），如圖1 所示。采用阻尼隔振技術的穿艙件為內外管環(huán)形約束阻尼結構，基層為過流管，阻尼層為彈性體，約束層為安裝環(huán)。約束阻尼結構除了在阻尼層發(fā)生剪切變形外，還產生拉壓變形，但主要通過剪切變形耗散振動能量[6]。

圖1 環(huán)形約束阻尼結構Fig.1 Ring constrained damped structure

通常用損耗因子來表征阻尼材料動態(tài)力學性能。根據(jù)RKU 理論計算公式，對于單層約束阻尼復合結構損耗因子可以表示為[7]：

式中：β 為阻尼層材料損耗因子；X 為剪切參數(shù)；Y 為剛度參數(shù)。

相比與自由阻尼結構，約束阻尼結構的減振效果更好，但減振效果影響因素也更加復雜，其不僅與彈性體的阻尼因子有關，而且與彈性體厚度有關。研究結果表明[8]，復合損耗因子隨厚度的增加而增大，但當阻尼層/基層厚度比大于1.5 時，復合損耗因子tanδ值增加緩慢，考慮到性能與增重的關系，且艦艇艙壁開口尺寸必須滿足艙壁的開孔補強要求，因此實際應用時取阻尼層與基層的厚度比為1.5～2。

1.2 隔艙密封技術分析

相比于剛性穿艙件，彈性穿艙件由于增加阻尼層，也就相應地增加了泄漏的傳遞路徑，主要是彈性體與過流管和彈性體與安裝管的接觸面，如圖2 所示。為了達到與艙壁相同的隔艙密封效果，如采用裝配式密封方式，安裝時需對彈性體施加預緊力，通過預緊的彈性體進行密封，彈性體材料的非線性力學特性，在預緊變形后的徑向剛度增大，將會影響隔振效果。

圖2 隔艙密封示意圖Fig.2 Schematic diagram of bulkhead sealing

因此，為了不降低彈性體的隔振性能，采用整體硫化密封方式，彈性體在過流管和安裝管之間整體硫化成型，彈性體與過流管和彈性體與安裝管的接觸面實現(xiàn)硫化聯(lián)接，其粘接強度可達4.0 MPa 以上，其密封可靠彈性體自身強度以及彈性體與金屬元件的粘結強度保證。

2 隔振與密封效果評估

2.1 彈性穿艙件模型

為了滿足大口徑流體管路的彈性穿艙需求，設計一種DN200 法蘭型彈性穿艙件。該彈性穿艙件包括過流管、彈性體、固定環(huán)、接口法蘭、等部件，如圖3 所示。

圖3 彈性穿艙件三維模型圖Fig.3 Drawing of the three dimensional model of flexible piping penetration

法蘭型彈性穿艙件在過流管（基層）和外固定環(huán)（約束層）之間設置一層環(huán)形彈性體（阻尼層），彈性體采用橡膠材料。穿艙件基層壁厚7 mm，彈性體厚度13 mm，彈性體與基層厚度比為1.85。同時采用整體硫化密封工藝，通過將過流管、外固定環(huán)、彈性體硫化成整體部件后，彈性體與各金屬接觸面形成硫化聯(lián)接，以達到要求的密封能力。

2.2 隔振特性仿真分析

以DN200 法蘭型彈性穿艙件為例，利用非線性結構有限元軟件Abaqus，采用直接積分動力學方法，對含有彈性體和不含彈性體的2 種穿艙結構的振動傳遞特性進行頻響對比分析?？紤]到有限元分析模型的需要，對模型固定基座、外固定環(huán)、彈性體和過流管等進行了適當?shù)暮喕?。圖4 為頻響分析模型，約束施加在固定基座的底部，單位激振力施加于過流管端面中心，激振力方向為Z 向，加速度測量點選擇在固定基座的頂端角點上。加速度測量點選擇在固定基座的頂端角點上，約束反力為另一個測量點，取為約束面上所有節(jié)點力的合力，合力作用點位于約束面中心。

圖4 模型邊界條件及激振力示意圖Fig.4 Schematic diagram of model boundary condition and excitation force

圖5 Z 向加速度對比Fig.5 The comparison of acceleration in Z axis

圖5 為加速度測量點上Z 方向的加速度仿真結果。可以看出，剛性連接時，曲線有多個加速度尖峰。這些峰值均位于結構固有模態(tài)附近，由于鋼材結構阻尼很小，振動加速度峰值較大。相比較而言，采用阻尼隔振技術彈性連接時，加速度峰值要小得多，尤其是在中高頻段，振動主要集中在過流管本身的剛體模態(tài)上，傳遞到固定基座的振動非常小，振動能被有效隔離。

2.3 隔艙密封仿真分析

彈性穿艙件的隔艙密封主要靠彈性體自身強度與粘結強度實現(xiàn)，在隔艙密封壓力作用時，彈性體受力變形滿足材料本身強度和粘結強度要求即可。將材料數(shù)據(jù)代入有限元模型中，在穿艙件彈性體及管路截面（軸向）一端加載密封壓力，考慮該穿艙件安裝于2.5 MPa 承壓艙壁中，因此加載壓力選2.5 MPa。經(jīng)仿真計算，彈性體最大應力為1.15 MPa，遠小于16.0 MPa拉伸強度，彈性體與金屬粘結面剪切應力小于1 MPa，滿足隔艙密封要求。

圖6 彈性穿艙件隔艙密封性能應力云圖Fig.6 The stress nephogram of bulkhead sealing performance of flexible piping penetration

3 結 語

1）采用含有彈性體的穿艙件，可有效降低艦船流體管路的結構振動和流體振動激勵向艙壁的傳遞。

2）艦船總體空間有限條件，在滿足結構尺寸要求的前提下，彈性穿艙件既具有較好的隔振性能，又能滿足艙壁的隔艙密封要求。