高強度鋼艙段浮筏基座結構聲學設計

侯磊，董一洋，耿黎明*

1 海軍裝備部駐武漢地區(qū)第二軍事代表室，湖北 武漢 430064 2 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

隱蔽性和機動性是潛艇的主要研究方向，降低水下輻射噪聲和提高下潛深度是提升上述性能的重要措施。

潛艇低速巡航時，機械噪聲是最主要的噪聲源，有效控制機械噪聲是潛艇實現(xiàn)安靜化的首要環(huán)節(jié)。在運轉工況下，機械設備通過基座激勵船體結構振動，并經(jīng)耐壓殼體向水中輻射噪聲。為此，隔振器、撓性接管、聲學覆蓋層等被廣泛應用于潛艇的減振降噪。浮筏是潛艇機械噪聲控制措施的綜合體現(xiàn)。實際上，浮筏是一種特殊的隔振系統(tǒng)，其機理是利用浮筏裝置中彈性元件的阻尼和中間質量來控制并衰減振動能量，從而減小傳遞至耐壓殼體的振動能量[1]。然而，在安靜化進程中，潛艇將再次面臨輻射噪聲能量新級差[2]，僅依靠改良浮筏隔振系統(tǒng)、加大結構剛度和阻尼，所能實現(xiàn)的機械噪聲控制力度有限。

為了保證潛艇的安全性，并有效控制結構重量，必須采用高強度鋼來建造耐壓結構。然而，高強度鋼對缺陷偏差的高度敏感性使其對制造工藝要求嚴苛，導致結構在焊接裝配過程中易于產生裂紋；較高的屈強比和較低的相對疲勞強度使結構的塑性裕度下降，抵抗裂紋產生和擴展的能力降低[3]。因此，高強度鋼耐壓船體設計需盡量消除結構硬點，消除局部高應力狀態(tài)[4]。

浮筏基座作為連接浮筏與耐壓船體的結構，一方面與耐壓船體共同承擔外壓載荷的作用，另一方面又是艙內機械噪聲向外傳遞的主要途徑。在進行高強度鋼艙段浮筏基座設計時，需要由被動的減振降噪轉向主動的，并兼顧結構強度和重量、聲學阻抗適配和振動等多因素，進行結構聲學設計。

本文擬對某典型浮筏基座進行改進設計。該基座作為浮筏上機械設備振動向艇外傳遞的主要途徑，其聲學設計聚焦于結構的振動特性。通過改變基座結構形式及結構參數(shù)，分析其對基座阻抗、固有頻率、重量、耐壓船體強度的影響，經(jīng)過多方案迭代，得到該基座的聲學優(yōu)化設計方案。

1 結構聲學設計要求

浮筏的振動經(jīng)由基座傳遞到耐壓船體，基座的阻抗將直接影響結構的振動。提高基座阻抗值和阻抗均勻性，能有效改善耐壓船體的輻射噪聲[5-6]。從聲學角度出發(fā)，要求基座的結構形式、幾何參數(shù)、結構剛度等能夠實現(xiàn)提高阻抗值和阻抗均勻性的目的[7]。

對于由高強度鋼建造的耐壓船體，局部高應力部位主要為結構剛度和連續(xù)性發(fā)生變化的位置[8-9]。浮筏基座作為艙段內剛度較大的強結構，約束著耐壓船體在外壓作用下的變形。從力學角度出發(fā)，要求盡可能降低基座對耐壓船體強度所產生的影響。

高強度鋼艙段浮筏基座設計需要兼顧上述2個方面的要求：聲學上的阻抗適配需要提高基座剛度，力學上的剛度匹配則希望基座的剛度控制在合適范圍內。綜合考慮，為了避免在高強度鋼耐壓殼體上產生結構硬點，使殼板產生局部高應力狀態(tài)，給結構安全性帶來隱患，對高強度鋼艙段浮筏基座結構開展了針對性設計：1）摒棄了傳統(tǒng)艙段大型基座將面板和腹板直接與耐壓船體焊接的結構形式，面板不再與耐壓船體殼板相連，僅在兩端與平面艙壁水平桁連接；2）取消腹板，在每檔肋位處設置實肋板連接基座面板與耐壓船體肋骨；3）面板之下沿縱向設置縱筋以提高結構剛度。采用上述結構形式的浮筏基座，在設計中應滿足如下要求：

1） 0～1 000 Hz頻段內艙段浮筏基座隔振器安裝部位原點輸入機械阻抗應不小于規(guī)定值；

2） 艙段浮筏基座前兩階固有頻率應錯開其上機械設備的特征頻率20%以上；

3） 基座的耐壓船體艙段強度應滿足規(guī)范要求；

4） 基座結構重量增加量在可接受范圍內。

2 基座阻抗分析

2.1 有限元模型

選取艙段浮筏基座及與之相連的耐壓圓柱殼和內部平面艙壁作為研究對象，如圖1所示。耐壓圓柱殼的肋距為600 mm。基座面板厚度為35 mm，其上設置有5個隔振器連接艙段浮筏與基座，隔振器安裝墊板厚30 mm。每檔肋位處設置30 mm厚的實肋板連接基座面板與耐壓船體肋骨，實肋板面板寬60 mm，厚35 mm。基座面板之下，在隔振器激勵點中心位置沿耐壓船體縱向設置30 mm厚、200 mm高的縱筋。材料的彈性模量為196 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

圖 1 基座有限元模型Fig.1 Finite element model of the foundation

有限元模型以船寬方向為X軸，船長方向為Y軸，型深方向為Z軸。模型均采用Shell單元。艙段兩端設置簡支邊界條件。在隔振器安裝墊板中心位置施加沿Z軸的單位激勵力。

2.2 阻抗分析

考慮基座結構的對稱性，僅分析P1～P5這5個激勵點作用下的阻抗，各激勵點均位于隔振器安裝中心位置。提取各點的原點速度響應，計算相應的原點阻抗和1/3倍頻阻抗，并與標準值進行對比。圖2給出了激勵點P1的阻抗計算結果。

圖 2 激勵點P1的阻抗分析結果Fig.2 Impedance analysis results of exciting point P1

計算結果表明，在0～500 Hz和950～1 000 Hz頻率范圍內，激勵點P1的阻抗計算值均低于標準值。激勵點P2～P5的分析情況也與之類似。因此，需開展原始基座結構的改進優(yōu)化。

2.3 基座結構改進

為了提高基座在各激勵點處的阻抗值和阻抗均勻性，對基座結構形式和幾何參數(shù)進行調整，開展了多方案的阻抗分析計算。

1） 增加基座面板厚度；

2） 在基座面板之下半檔肋位處增設橫筋；

3） 增加各激勵點處基座實肋板的厚度；

4） 增加各實肋板面板寬度，將實肋板面板連接起來；

5） 在基座面板之下局部位置增設縱筋。經(jīng)過多方案試算，最終確定的改進方案為：基座面板厚度增為40 mm，半檔肋位處增設高2 00 mm、厚30 mm的橫筋，激勵點處的實肋板厚度增為50 mm，將各肋位的實肋板連接到一起，基座局部位置增設縱筋?；倪M方案的有限元模型如圖3所示。

圖 3 基座改進方案有限元模型Fig.3 Finite element model of the improved foundation scheme

改進后激勵點P1的阻抗計算結果如圖4所示。結果表明，激勵點P1在全頻段的阻抗計算值基本滿足標準要求。激勵點P2～P5的阻抗計算結果如圖5所示。

3 基座模態(tài)和艙段強度分析

浮筏基座改進方案第1、2階固有模態(tài)的計算結果如圖6所示?；皟呻A模態(tài)分別為43.309和79.182 Hz，與浮筏上機械設備的108 Hz特征頻率的差值超過20%，滿足設計要求。

為了分析浮筏基座對耐壓船體應力狀態(tài)的影響，在極限壓力作用下，通過有限元模型分別計算了高強度鋼艙段在無基座、原始基座、改進基座方案下的應力狀態(tài)，計算結果如表1所示。由表可見，浮筏基座提高了耐壓船體的應力狀態(tài)，采用結構形式改進后的基座，耐壓船體的強度能夠滿足規(guī)范要求。改進后的基座給耐壓船體應力狀態(tài)帶來的影響小于原始基座。

圖 4 基座改進方案激勵點P1阻抗分析結果Fig.4 Impedance analysis results of exciting point P1 of the improved foundation scheme

圖 5 基座改進方案激勵點P2～P5阻抗分析結果Fig.5 Impedance analysis results of exciting point P2-P5 of the improved foundation scheme

圖 6 基座前兩階固有模態(tài)Fig.6 First two intrinsic modes of the foundation

由表1可見，肋骨面板周向應力受基座影響較大，在基座附近明顯增大。如果再考慮肋骨初撓度在肋骨面板處產生的附加應力，對于改進基座方案，依據(jù)相應規(guī)范計算其影響值為-153.7 MPa，因此，肋骨面板疊加修正后的應力值為-599.7 MPa，應力值小于高強度鋼的屈服強度。

表 1 基座對耐壓船體強度的影響Table 1 Influence of the foundation on the pressure hull strength

4 結 論

本文以高強度鋼艙段某典型浮筏基座結構設計方案為研究對象，綜合權衡聲學阻抗適配和力學剛度匹配要求，采用不與耐壓殼體連接的結構形式，通過有限元建模分析，對該結構的阻抗特性和固有頻率進行了計算，并通過結構參數(shù)調整和多方案計算，得到了符合設計要求的結構設計方案。計算結果表明：

1） 改進后的浮筏基座提高了基座阻抗幅值，降低了基座固有頻率與設備特征頻率的耦合性和振動響應，基座結構聲學特性基本滿足標準要求。

2） 考慮基座影響的耐壓船體結構，其殼板和肋骨的強度能夠滿足規(guī)范要求，基座的重量增加量在可接受范圍內。