管路阀组结构制造工艺参数的振动特性影响

潘国雄，张 盛，周赤奇，徐北平

(武昌造船厂集团有限公司，湖北 武汉430060)

0 引 言

实船内部通常将有相同系统功能或者位置较近的阀件，通过一定的刚性阀架进行有效连接，在保证系统结构安全性的条件下，统一布置阀的安装方向、间距，这种实船内部的管路、阀架、阀件组成的结构在安装工艺上称为阀组单元。阀组单元将阀、阀组架与管路相连接，并与船体外壳直接刚性连接［1-2］。

由于管路流体脉动紊乱、设备振动源特性复杂，阀组单元伴随有强烈的管壁结构振动、阀结构的随机振动，当发生谐振或者系统振动传递特性较差时，影响管路附件连接的安全性。同时，阀组单元将产生的振动噪声直接通过船体结构传递而辐射至海水中，影响船舶声学性能［3-5］。同时，由于阀组单元的制造、组合没有相关工艺文件的明确说明，因而实际的阀组单元的制造方式、标准随施工人员的不同而有较大的不同，对结构的声振性能的离散度影响较大，导致阀组单元结构振幅较大，影响船体结构可靠性、安装声学指标要求。

本文采用有限元分析与试验相结合的方法［6-8］，对阀的安装间距、阀架臂长度、角钢规格、隔振器安装等制造工艺参数对其声学性能的影响进行研究，结果表明阀组架臂长对结构振动特性影响较大，加装隔振器的改进阀组单元的结构比实船阀组单元在声学性能方面有明显的改善。

1 有限元分析模型

考虑到管路系统阀组、安装附件和周边环境的复杂性，研究很难用实际结构进行模拟。利用Ansys 软件，对现有的阀组单元建立如图1所示的模拟实船环境的阀组单元结构尺寸、由5 个截止阀组成的有限元简化模型。研究中对阀施加水平方向、垂直方向的激励力，激励力位于中间阀件入口截面中心位置。实船阀组单元的结构尺寸为阀架臂长0.60 m、阀间距0.16 m、角钢规格50mm×50mm ×5mm，仿真计算如图2所示的位于阀架结构上的5个测点振级。图2 和图3 分别为原始阀组单元的测点布置与计算结果。

图1 阀组单元仿真模型Fig.1 The FEM model of manifolds

图2 阀组单元测点布置Fig.2 The test point location

图3 原始阀组单元水平、垂直激励各测点振级Fig.3 The vibration acceleration level of the manifolds

仿真结果表明，在阀组单元受到激励时各位置振动幅值差异较大，安装阀门所在的水平架上的测点3 有最大的振动响应，阀组架悬臂部分测点2 和4 的振级则比测点3 的振级稍小，而在阀组架附近船体外壳体上测点1 和5 的振级与阀架上测点的振级相比要小很多。同时，垂直激励与水平激励条件下，实船阀组单元的测点响应幅值差异较大，水平方向响应较垂直方向高约15 dB，因而在研究中主要分析水平方向的阀组单元结构的振动幅值变化。

2 管路阀组单元支架结构参数的振动特性

阀组架由相同型号的角钢经过切割、弯制和焊接制成，阀组架2 端直接焊接在船体外壳上，阀组单元的阀工作时产生振动，阀组单元振动通过阀架传递到船体外壳上，引起壳体辐射噪声。阀组单元的结构形式直接决定阀组单元的声振特性，阀组单元可以改变的结构参数包括阀架臂长、阀布置间距和阀架角钢型号。

在研究过程中，首先改变阀组单元的阀架臂长、阀布置间距和阀架角钢型号3 组结构参数，比较4 mm和5 mm 两种厚度阀架角钢组成的阀组单元，在不同频率、不同载荷方向和不同载荷位置激励下的振动加速度级，进而选出振级较小的阀组单元结构参数。然后，在阀组单元的阀间距、阀组架臂的长度、阀架尺寸规格、隔振器安装形式的仿真分析研究基础上，考虑多种因素组合变化的声学、振动特性，对多种影响因素的变化规律综合分析，将多种影响因素功能特性较优的方案综合后进行组合研究，选取声学性能较优的阀组单元模型进行阀组单元的声学性能试验。

2.1 阀架臂长对阀组单元振动性能影响

阀组架近似一种悬臂结构，在较小的激励作用下会产生较大的振幅。对于悬臂结构，臂长是影响结构振动特性的重要参数。分析不同阀组架臂长对结构声振特性的影响，根据船舶内部管路实际空间布置情况，选择0.50 m，0.55 m，0.60 m，0.65 m，0.70 m 5 个臂长尺寸作为研究对象。如图4所示分别为40mm ×40mm ×4mm(图a)，50mm ×50mm×5mm(图b)厚角钢组成的阀组单元1 号阀水平激励的振动加速度总级(以下分别简写为4mm，5mm 厚角钢)。

图4 4 mm 与5 mm 阀组单元不同阀架臂长模型的振动仿真结果Fig.4 The vibration simulation result with the variety of arm length on 4 mm and 5 mm manifolds

由测点总振级随阀架臂长的计算结果表明:随着阀架臂长的逐步变化，各测点的振级变化均较显著，如测点1 的总振级，在臂长由实船0.6 m 变化到0.55 m 时，在各种激励方式下引起的振级变化接近30 dB，从0.6 m 变化到0.65 m 时引起的振级变化有20 dB。其他测点振级随阀架臂长按照0.05 m这一步长变化时也有显著变化，这表明阀架的振级对阀架臂长参数较为敏感，臂长参数的改变会引起阀架振级显著的变化。

综合各图发现，当阀架臂长为0.70 m 时各测点的振级相对最小。在其他尺寸参数为阀间距0.16 m、角钢尺寸规格50mm ×50mm ×5mm 时，应选用0.70 m 作为优化的阀架臂长尺寸。

2.2 阀布置间距对阀组单元振动性能影响

依据船内实际阀件法兰安装空间要求，阀间距要求为等间距，最小间距必须满足一般操作人员双手可以自由伸入2 阀中间空隙。因此，选用0.16 m，0.18 m，0.20 m，0.22 m，0.24 m 5 个阀间距作为研究对象。图5 给出了4 mm 和5 mm 厚角钢1 号阀水平激励的加速度级。

图5 4 mm 与5 mm 阀组单元不同阀间距模型的振动仿真结果Fig.5 The vibration simulation result with the variety of valve distance on 4 mm and 5 mm manifolds

由4 mm 和5 mm 厚角钢阀组单元振级随阀间距变化的曲线可见:当阀组间距从实船方案(阀间距0.16 m)变化到间距为0.18 m 时，测点合成振级变化较大(大部分测点振级降低约30 dB)，而当阀间距从0.18 m 逐步递增到0.24 m 时，测点振级随阀间距的变化却不明显，大部分在10 dB 以内。这表明阀组的振级对阀组间距参数的变化不太敏感，阀组间距在0.02 m，与阀架臂长改变所引起阀架振级的变化相比，阀组间距在0.02 m 步长变化时引起的测点振级变化较小，尤其是在1 和5 测点上，大部分都在10 dB 以内。

当阀间距为0.24 m 时，各测点的振级相对最小。在其他尺寸参数为阀架臂长0.60 m、角钢规格50mm×50mm×5mm 时，应选用0.24 m 作为优化模型的阀间距。

2.3 阀组架角钢规格对阀组单元振动性能影响

根据实际常用的角钢型号，选用40mm ×40mm×4mm，45mm × 45mm × 4mm，50mm × 50mm ×4mm，56mm ×56mm ×4mm，63mm ×63mm ×4mm 5 种尺寸规格的角钢材料为研究对象，图6 为各测点在第1 号阀水平方向激励下振动加速度级和合成振级。

图6 4 mm 与5 mm 阀组单元的不同角钢尺寸模型的振动仿真结果Fig.6 The vibration simulation result with the variety of angle iron parameter on 4 mm and 5 mm manifolds

4 mm 厚角钢的阀组单元声振特性由测点总振级随几种角钢型号变化的曲线可知:当角钢型号从实船方案(角钢型号50mm ×50mm ×4mm)变化到45mm×45mm ×4mm，56mm ×56mm ×4mm 时，测点合成振级均有显著降低，而当角钢型号再进一步改变时，测点振级的变化却不甚明显，大部分测点总振级变化在5 dB 以内。这表明阀组的振级对角钢型号参数的变化不太敏感，角钢尺寸改变引起的阀架振级变化与阀架臂长改变引起阀架振级的改变相比要小。

角钢型号40mm×40mm×4mm，40mm ×40mm×5mm 型号的尺寸规格模型中，结构测点的振级相对较小，应选用40mm ×40mm 型号的角钢尺寸规格。

3 管路阀组单元优化组合结构的声振特性

上述研究为仅改变阀组单元结构的某一尺寸特征参数得到的阀组声振性能，还需要分析各尺寸参数变化对阀组单元声学性能的综合影响，并得出4 mm 厚阀组架的优化设计参数。为此，通过计算和对比分析，初步选出表1所示的4 组阀组单元的组合结构尺寸参数，对其进行声振性能计算与对比分析，从中找出相对较优的方案。其中H 为阀架臂长，L 为阀间距。

表1 阀组单元的组合变化方案Tab.1 The different combined projects of manifolds unit

由4 mm 角钢结构尺寸组合模型的计算结果，测点1 和5 布置在阀架与耐压壳连接处，阀组单元的振动通过阀架与耐压壳的连接处传递到艇体上，故主要比较测点1 和5 的振级并兼顾其他测点振级。综合比较可以看出组合优化参数方案4 中阀组单元的测点振级基本都是最小。故选择阀架臂长0.55 m，阀间距0.18 m，阀架角钢尺寸规格40mm ×40mm ×4mm 为4mm 厚角钢的阀组单元的结构优化参数。

图7 4 mm 与5 mm 角钢结构的组合阀组单元模型的振动仿真结果Fig.7 The vibration simulation result with the different opimistic model on 4 mm and 5 mm manifolds

对于5 mm 角钢，根据仿真计算结果综合比较各测点振级的相对大小，较优的方案为方案5-3，其结构参数是阀架臂长0.60 m，阀间距0.16 m，角钢型号为40mm×40mm×5mm。

4 管路阀组单元加装隔振器对结构振动传递特性影响

分析阀组单元安装隔振器后的声振性能，在4mm 厚阀架的优化方案基础上，建立阀组单元和隔振器的整体有限元模型，比较安装隔振器前后各测点振级的变化。试验模型、有限元仿真模型和计算结果分别如图8 ～图10所示。

图8 加装隔振器阀组试验模型Fig.8 The testing model of the manifolds adding isolator

图9 加装隔振器阀组仿真模型Fig.9 The simulation model of the manifolds adding isolator

图10 加装隔振器阀组仿真与试验结果Fig.10 The simulation and testing results of the manifolds adding isolator

由仿真计算结果可见，安装斜撑和隔振器后，4 mm 厚实船阀组单元的声振性能得到很明显的改善。加装隔振器后，无论是在激励点，阀架臂上还是在船体外壳体上的测点，其振级都普遍比4 mm 实船阀组单元、优化阀组单元低。与优化阀组单元相比，加入隔振器后，阀、阀架和船体外壳的振动插入损失都在15 dB 以上。因此从仿真结果来看，安装隔振器是减小阀组单元振动的有效途径。

研究对5 mm 厚角钢的实船阀组单元和4 mm 厚角钢的优化阀组单元进行了振动仿真计算的基础上，在4 mm 厚角钢组成的优化阀组模型上进一步加装隔振器进行了试验。从试验结果来看，加装隔振器前后在阀处(测点3)的振动量级两者之间相差不大(1 ～2 dB);但在阀组单元的其他测点及部位，振动量级有明显的衰减;在第2 号阀和第3 号阀激励时，插入损失最大可达到10 dB。因此，从试验和仿真计算结果可见，加装隔振器后，阀组的声振特性有显著变化，安装隔振器是减小阀组单元振动传递的有效途径。

5 结 语

根据试验和仿真计算结果，可得主要结论为:

1)当阀架臂长以0.05 m 的步长变化时，各测点的振级变化均较为显著，臂长由实船0.6 m 变化到0.55 m 时，同一测点在各种激励方式下引起的振级变化接近30 dB，在其他步长间变化引起的振级变化也在20 dB 附近，表明阀架的振级对阀架臂长参数较为敏感，臂长参数的改变可引起阀架振级显著的变化。

2)与阀架臂长改变引起测点振级变化的敏感程度相比，阀组间距随步长的变化以及阀组角钢尺寸变化所引起的同一测点总振级的变化则不太敏感。因此在加工制造管路阀组架时，对阀架臂长的确定需更慎重，可以首先通过调整合适的阀架臂长得到振动相对较优的阀架结构，然后进一步改变阀组间距和角钢尺寸得到更为优化的阀组架。

3)在加装隔振器后，仿真分析和试验测试都表明，阀组单元的声振性能有较大程度的改善，加装隔振器前后阀架上以及船体相同测点的振级插入损失可达10 dB。建议在加工制造管路阀组架时，对阀架臂长的确定需谨慎，可以通过调整合适的阀架臂长得到振动相对较优的阀架结构，然后进一步调整阀组间距和角钢尺寸得到更为优化的阀组架方案。在条件具备的前提下，可以对阀组单元装配合适的隔振器，能有效减小阀组单元的振动以及振动向耐压船体的传递。

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