兩種箱體浮筏結(jié)構(gòu)抗沖擊及全頻段隔振效果對比分析

吳選福 王 壯 陳 威 李曉彬

(武漢理工大學(xué)船海與能源動力工程學(xué)院1) 武漢 430063)(中國艦船研究設(shè)計中心船舶振動噪聲重點實驗室2) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)理學(xué)院3) 武漢 430063)

0 引 言

在船海工程的減振領(lǐng)域,機械設(shè)備的減振技術(shù)經(jīng)歷了早期的剛性安裝設(shè)備、單層減振、雙層減振、浮筏減振、整艙浮筏減振等幾個主要階段[1].早期單層隔振在中高頻時隔振效果較差.針對單層隔振的缺點,發(fā)展出了雙層隔振,中高頻的隔振效果較單層隔振效果較好,但會增加船舶系統(tǒng)的額外負重[2].在雙層隔振的基礎(chǔ)上又發(fā)展出浮筏隔振,浮筏隔振系統(tǒng)能大幅減小動力機械振動和噪聲,并能提高設(shè)備工作的穩(wěn)定性[3-6].隨著浮筏結(jié)構(gòu)大型化、集成化的要求越來越高,傳統(tǒng)的浮筏結(jié)構(gòu)也很難滿足要求, Bondayrk[7]推薦了一種艙筏結(jié)構(gòu),設(shè)備彈性安裝在筏架上,筏架結(jié)構(gòu)再彈性安裝在艇體上,形成整艙浮筏結(jié)構(gòu),這種整艙浮筏結(jié)構(gòu)能夠保證與傳統(tǒng)浮筏擁有相同的抗沖擊及隔振效果時,極大地提高了浮筏的空間利用率.

整艙浮筏內(nèi)由于人員和重要設(shè)備的存在,對其的隔振和抗沖擊性能提出了更高的要求,而不同的筏架結(jié)構(gòu)直接影響到浮筏抗沖擊及隔振性能的好壞.在隔振方面,況成玉等[8]將周期結(jié)構(gòu)引入到浮筏結(jié)構(gòu)中,研究表明：周期桁架結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)板架結(jié)構(gòu)更能有效抑制振動的傳遞.黃修長等[9]利用周期性結(jié)構(gòu)的阻帶特性和曲梁的波形轉(zhuǎn)換效應(yīng),設(shè)計了一種曲梁周期浮筏,這種浮筏基于波形轉(zhuǎn)換的曲梁結(jié)構(gòu)能夠增加振動衰減,并增加隔振裝置的低頻段和寬頻段的隔振能力.程世祥等[10]設(shè)計了一種新型周期桁架結(jié)構(gòu)浮筏,對桁架式浮筏隔振效果進行實驗分析,結(jié)果表明：新型周期性桁架結(jié)構(gòu)浮筏抑制振動傳遞的能力比傳統(tǒng)浮筏更強.張峰等[11]設(shè)計了一種裝有顆粒阻尼的塑料軟管,將其運用到桁架結(jié)構(gòu)振動控制中,試驗分析結(jié)果表明：桁架外包顆粒阻尼的方法,在300 Hz以后能有效抑制結(jié)構(gòu)之間的共振.黃修長等[12]利用周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的阻帶銅帶機制和手性結(jié)構(gòu)所具有的波形轉(zhuǎn)換和振動區(qū)域效應(yīng)的作用,設(shè)計了一種手性周期結(jié)構(gòu)浮筏，該浮筏限制了浮筏隔振裝置中的振動傳遞,提高了浮筏的振動衰減效果. 在抗沖擊方面,Ichiro 等[13]設(shè)計了折疊式桁架支撐結(jié)構(gòu),計算了桁架結(jié)構(gòu)在碰撞、沖擊載荷作用下的動力學(xué)響應(yīng).陳義蜂等[14]對充液浮筏和不沖液浮筏的抗沖及進行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在沖擊環(huán)境下,充油筏體的加速度較不充油筏體的加速度小17%.

目前國內(nèi)的研究報道大多關(guān)于傳統(tǒng)浮筏系統(tǒng)的研究，傳統(tǒng)浮筏設(shè)計主要采用板、梁一類結(jié)構(gòu)，形式比較單一，缺少新概念、新原理，隔振性能再次提升存在一定制約因素.文中將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于傳統(tǒng)板架浮筏中,設(shè)計了一種新型的網(wǎng)架式箱體浮筏,對新型網(wǎng)架式箱體浮筏系統(tǒng)進行抗沖擊及隔振效果研究,并與傳統(tǒng)板架箱體浮筏進行比對分析.

1 模型建立

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是由多根桿件按照一定的網(wǎng)格形式通過節(jié)點連接而成的空間結(jié)構(gòu)，具有空間受力小、重量輕、剛度大、抗震性能好等優(yōu)點，而這些優(yōu)點恰能符合浮筏隔振系統(tǒng)集成化、大型化、輕量化的需求。文中將傳統(tǒng)板架浮筏中部支撐上下面板的豎直板改進為相互交錯的網(wǎng)架支撐結(jié)構(gòu),形成了一種新型網(wǎng)架式箱體浮筏,建立的模型見圖1.兩種浮筏結(jié)構(gòu)的筏架部分長、寬、高相同(即長8 m、寬6.08 m,高2.1 m),結(jié)構(gòu)材料選取為Q345鋼,材料密度為7.85×103kg/m3,彈性模量E=206 GPa,泊松比σ=0.3.對筏架結(jié)構(gòu)進行隔振器選型配置,形成箱體浮筏隔振系統(tǒng).箱體浮筏上下面板上有中小型設(shè)備,其總重量約為9.7 t.筏架用Shell181單元(四節(jié)點殼單元)來進行建模,由于建模時板架箱體浮筏和網(wǎng)架箱體浮筏的單元大小分別為40 mm和30 mm,故兩個模型的單元數(shù)相差較多.隔振系統(tǒng)的重量信息見表1,筏架的重量相差0.46%,總重量相差0.32%,兩者都遠小于1%,即兩種浮筏模型重量相差不大.

表1 模型重量表

圖1 示意圖

浮筏隔振系統(tǒng)主要由筏架、隔振器以及設(shè)備組成.隔振器是隔振系統(tǒng)中的重要器件,由于其質(zhì)量較小,一般忽略隔振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),只關(guān)注其變形量,基于以上原因,選擇三向彈簧單元來模擬隔振器.為使研究更加結(jié)合工程項目的實際需求，隔振器參數(shù)選用了大變形KB系列隔振器參數(shù), 隔振器的相關(guān)參數(shù)見表2～3.考慮到浮筏結(jié)構(gòu)與船體傾斜搖擺狀態(tài)下可能與側(cè)壁擦碰,布置了6個剛度較小的中層隔振器.對于筏架上的設(shè)備和人員,由于其尺度和筏架相比要小的多,故采用質(zhì)量點的方式來模擬設(shè)備和人員,質(zhì)量點和彈簧之間采用多點約束184(multi-point constraint, MPC)單元進行剛性約束.

表2 KB系列隔振器規(guī)格與主要性能

KB系列隔振器X、Y、Z方向沖力與變形的關(guān)系可表示為

式中：各隔振器對應(yīng)的參數(shù)d0、k、a、b見表3。

表3 KB系列隔振器沖擊參數(shù)

2 抗沖擊效果對比分析

沖擊環(huán)境基于 GJB1060.1-91 中沖擊設(shè)計輸入,參考德國 BV043-85 標(biāo)準(zhǔn)將浮筏系統(tǒng)的設(shè)計沖擊響應(yīng)關(guān)于頻率的沖擊譜等效轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的沖擊載荷-時間變化曲線[15-16].假設(shè)設(shè)備抗沖擊能力設(shè)計為 A 級,浮筏安裝在船體部位,安裝形式為彈性設(shè)計.基于箱體浮筏隔振系統(tǒng)重量對箱體浮筏設(shè)計的垂向沖擊載荷輸入見圖2.

圖2 浮筏系統(tǒng)垂向沖擊加速度時域曲線

采用瞬態(tài)動力學(xué)顯式分析的方法,將加速度沖擊波曲線作為載荷施加到浮筏系統(tǒng)上,分析浮筏系統(tǒng)在沖擊荷載下的動態(tài)響應(yīng).筏架結(jié)構(gòu)在沖擊的作用下,隔振器由于阻尼的原因會反復(fù)震蕩衰減,沖擊能量逐漸耗散.由于垂向沖擊,筏架下層隔振器的垂向變形量遠大于其他兩個方向,變形量因阻尼的作用呈現(xiàn)明顯的周期性變化.板架箱體浮筏下層隔振器變形量的變化周期為0.15 s,隔振器變形量的第一個、第二個和第三個峰值分別為19.91，11.8和7.24 mm,網(wǎng)架箱體浮筏下層隔振器變形量的變化周期為0.16 s,隔振器變形量的第一個、第二個和第三個峰值分別為19.40，12.82和6.97 mm,振幅都呈逐步衰減趨勢(見圖3).

圖3 板架和網(wǎng)架浮筏結(jié)構(gòu)受垂向沖擊作用下下層隔振器變形量隨時間衰減曲線

由于箱體浮筏不僅承載了設(shè)備,還作為人員活動艙室,起保護設(shè)備和人員的安全的目的,其上、下面板的峰值加速度須小于人體的承載極限(約為12g),板架浮箱體筏結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架箱體浮筏結(jié)構(gòu)上、下面板加速度見圖4～5,由于設(shè)備和人員的存在,筏架又非剛體結(jié)構(gòu),所以在沖擊作用下,會發(fā)生劇烈振動,即筏架上、下面板的加速度包含整體的加速度及自身局部的加速度.

圖4 板架浮筏結(jié)構(gòu)受垂向沖擊作用下云圖

圖5 網(wǎng)架浮筏結(jié)構(gòu)受垂向沖擊作用下云圖

沖擊作用下的結(jié)果統(tǒng)計見表4,板架箱體浮筏和網(wǎng)架箱體浮筏的最大位移相差約2.8%(基于板架)、下層隔振器最大形變量相差約2.5%、面板峰值加速度分相差約-9.6%.在沖擊環(huán)境下,板架箱體浮筏和網(wǎng)架箱體浮筏最大位移、上下面板加速度的峰值、下層隔振器變形量都相差較小,差值都小于10%,而板架箱體浮筏的最大應(yīng)力比網(wǎng)架箱體浮筏高達45.8%,這是因為在沖擊環(huán)境下,整個筏體會出現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜的變形裝態(tài),網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將彎扭作用下的筏架內(nèi)部復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)架桿件內(nèi)簡單的拉壓的應(yīng)力狀態(tài),從而減少了應(yīng)力集中, 故網(wǎng)架箱體浮筏的抗沖擊性能略優(yōu)于板架箱體浮筏.

表4 筏結(jié)構(gòu)在垂向沖擊作用下的結(jié)果統(tǒng)計

3 浮筏隔振效果比對分析

選用振級落差的方式來評價浮筏系統(tǒng)的隔振效果[17].根據(jù)定義,加速度振級落差可表示為

LD=20 lg (D)

(1)

(2)

由于單個測點的振級落差不具有代表性,采用等效振級落差,選取若干個測點,計算其等效加速度振級,其表達式為

(3)

對筏架模型進行全頻段隔振效果分析,使用傳統(tǒng)的有限元法對模型在高頻段的隔振效果進行分析存在一定的局限性.因此,對不同頻段采用不同的方法進行隔振效果分析.

對箱體浮筏結(jié)構(gòu)開展在5～10 000 Hz的隔振效果分析時,用VA-One軟件進行建模,根據(jù)模型動力學(xué)特點,劃分了低、中、高頻段,在帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)小于1定義為低頻區(qū)(5～200 Hz)、模態(tài)數(shù)大于1小于5定義為中頻區(qū)(200～1 000 Hz)、模態(tài)數(shù)大于5定義為高頻區(qū)(1 000～10 000 Hz).計算分析時,在某一設(shè)備處施加一個大小為100 N方向垂直向下的正弦激勵力,計算頻率范圍為5～10 000 Hz.在低頻段計算浮筏結(jié)構(gòu)的隔振效果時采用有限元法[18],在中頻段采用混合法,在高頻段采用統(tǒng)計能量法(SEA法).建立的箱體浮筏結(jié)構(gòu)有限元模型、Hybrid模型和SEA模型,分別適用于低頻段、中頻段和高頻段分析,兩種SEA模型示意圖見圖6.下層隔振器振級和振級落差曲線見圖7.

圖6 浮筏結(jié)構(gòu)SEA模型

圖7 浮筏結(jié)構(gòu)下層隔振器振級和振級落差曲線

由圖7可知:在5～200 Hz內(nèi),板架箱體浮筏和網(wǎng)架箱體浮筏的隔振效果先逐漸增大并不斷波動,隔振效果不穩(wěn)定.該頻段內(nèi)板架箱體浮筏振級落差范圍為11.37～50.32 dB,平均振級落差均值約在36 dB左右,而網(wǎng)架箱體浮筏結(jié)構(gòu)振級落差范圍為14.61～50.91 dB,平均振級落差均值約在37 dB左右.在200～10 000 Hz的中高頻段,板架箱體浮筏和網(wǎng)架箱體浮筏的整體振級落差逐漸增大,表明頻率越高,板架箱體浮筏和網(wǎng)架箱體浮筏的隔振效果越好.在此頻段板架箱體浮筏的振級落差范圍為40.31～72. 38 dB,平均振級落差約為53 dB,而網(wǎng)架箱體浮筏的振級落差范圍為42.19～72.27 dB,平均振級落差約為55 dB.在全頻段內(nèi),網(wǎng)架箱體浮筏的平均振級落差都高于板架箱體浮筏,這是因為網(wǎng)架箱體浮筏的桿件具有三角形單元的空間結(jié)構(gòu),通過桿件之間的拉壓作用可實現(xiàn)筏體的自身穩(wěn)定,振動源的振動會通過桿件之間的多向傳遞從而衰減.由此可見,網(wǎng)架箱體浮筏系統(tǒng)的隔振效果要略優(yōu)于板架箱體浮筏系統(tǒng)的隔振效果.

4 結(jié) 論

1) 在沖擊環(huán)境下,板架箱體浮筏的最大應(yīng)力比網(wǎng)架箱體浮筏高達45.8%,網(wǎng)架箱體浮筏結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相對板架箱體浮筏結(jié)構(gòu)能減少應(yīng)力集中,網(wǎng)架箱體浮筏的抗沖擊性能略優(yōu)于板架箱體浮筏.

2) 在5～200 Hz的低頻段內(nèi),網(wǎng)架箱體浮筏的隔振效果先逐漸增大并不斷波動,隔振效果不穩(wěn)定.在200～10 000 Hz的中高頻段,網(wǎng)架箱體浮筏的整體振級落差逐漸增大,表明頻率越高,網(wǎng)架箱體浮筏和板架箱體浮筏的隔振效果越好.從全頻段來看,網(wǎng)架箱體浮筏的平均振級落差都高于板架箱體浮筏,網(wǎng)架箱體浮筏系統(tǒng)的隔振效果要優(yōu)于板架箱體浮筏系統(tǒng)的隔振效果.