动力舱段基座至壳体的振动特性研究

申 华，温华兵, 陆金铭, 程 荣，刘甄真

(江苏科技大学 振动噪声研究所,江苏 镇江 212003)

0 引 言

动力舱段的振动是水下航行器辐射噪声和自噪声的主要来源，在航行时主机和各种辅助机械内部的不平衡往复与回转惯性力以及泵体中的流体激励，通过基座支撑结构传递给舱段壳体，激励起舱段壳体振动进而激励外场水介质形成辐射声场。因此，对水下航行器动力舱段从支撑结构到壳体振动传递特性的快速预报及控制具有重要意义。文献[1]研究了有限长双层加肋圆柱壳体的低频回声特性，提出了一种近似预报方法并进行实验验证。文献[2]建立了水下壳体的统计能量分析模型，研究了水下壳体的高频振动与声辐射特性。文献[3]考虑双层壳间环形实肋板之间的耦合作用，以及壳间水层、实肋板与内外壳体的耦合作用，数值分析激励力作用位置、肋板数目等对声辐射性能的影响。文献[4]研究了单点激励和多点激励时有限长圆柱壳体辐射声场特性。文献[5]考虑了环肋和舱壁对圆柱壳的径向、切向、纵向作用力以及纵向弯矩作用，研究了壳体的振动特性。文献[6]研究了水下结构噪声的快速预报和外壳表面速度场实时重构。文献[7]研究了内部含基座的加筋双层壳振动声辐射问题。文献[8]采用试验的方法研究了3种典型支撑结构至壳体的振动传递特性。本文在文献[8]基础上采用仿真方法，预报了在典型设备振动激励下，基座刚度参数对壳体振动的影响，为基座结构的声学设计提供参考。

1 动力舱段振动分析

1.1 动力舱段壳体模型

动力舱段壳体模型直径2 500 mm，长度4 000 mm，壁厚9 mm，外壳含19根环肋。舱壁板厚6 mm，采用纵横带环肋结构加强。圆柱壳体内部设计有1个纵横加强筋平台结构，平台板厚为3 mm，下方有8根立柱支撑，与圆柱壳体及舱壁四周直接焊接连接。设计3种型式的基座，如图1所示，基座A在壳体上，基座B在舱壁上，基座C在平台结构上，3种型式基座的结构参数如表1所示。壳体上的振动测点位置沿肋位方向0#～20#，圆周方向0°～360°布置，用测点S(6,0)表示6#肋位0°方向上的位置，其余测点的表示方法相同。

图1 动力舱段壳体内部基座布置图Fig.1 Layout location of base structures in the shell of power cabin

基座长度/mm宽度/mm高度/mm面板厚/mm立板厚/mm位置A74520030075壳体上B25030012063舱壁上C330448073平台上

1.2 动力舱段壳体的振动模态分析

采用比较简单的Donnell理论，在柱坐标系下动力舱段壳体的运动方程为[9]：

(1)

(2)

(3)

通过建立动力舱段壳体的有限元模型，计算得到动力舱段壳体的第1阶固有频率为110.0 Hz。虽然动力舱段壳体受到环肋、舱壁和平台的约束作用，但由于圆柱壳体的拉伸刚度要远远高于其弯曲刚度，因而壳体振动模态主要表现为径向振动，图2(a)与图2(b)为动力舱段壳体第3阶、第6阶振动模态振型。为了验证动力舱段壳体有限元模型仿真结果，开展结构振动模态实验，得到动力舱段壳体振动模态的实验结果和有限元仿真对比如表2所示，有限元仿真结果的误差小于2%，说明有限元模型与实验模型的动态特性接近。振动模态实验结果表明，除第1阶模态阻尼比在4.37%外，其余各阶模态阻尼比在1%左右，为有限元振动响应仿真计算时合理选取阻尼系数提供依据。

图2 壳体的振动模态图Fig.2 Vibration mode shapes of the shell

阶数固有频率/Hz仿真实验误差/%阻尼比/%实验111001107061437221042110027092322832269063124423182362188090525292506095085631903155111039

1.3 基座至壳体的振动传递分析

采用有限元法，动力舱段壳体包含壳体、基座、舱壁及平台等结构作为一个多自由度振动系统，其运动方程为：

MX··(t)+CX·(t)+KX(t)=F(t)。

(4)

式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；F(t)为激励向量。加速度传递函数Hlp定义为动力舱段壳体l点的加速度响应与基座面板激励点p的激励力之比：

式中：λi为动力舱段结构的复模态频率；ψi为复振型。它们与动力舱段壳体结构的复模态质量ai、复模态刚度ki、复模态阻尼ci有关。

图3(a)和图3(b)分别是测点S(6,0)、S(12,0)的实验和仿真振动传递函数曲线对比，在700 Hz以下低频段，实验结果和仿真结果曲线峰值基本一致；在700～1 000 Hz频率范围，实验结果和仿真结果偏差增大，但其曲线走势总体上一致。在125 Hz、220 Hz和315 Hz有较明显的峰值，说明激励基座传递到的壳体响应跟动力舱段壳体的振动模态有关，在设计基座时要注意避开壳体的振动模态。

图3 基座至壳体测点振动传递函数Fig.3 Vibration transfer functions from base to the measuring point on shell

2 基座对壳体振动特性研究

2.1 基座及空压机的振动特性

为了研究不同类型基座在设备激励力作用下传递到壳体的振动特性，以某型空压机为研究对象，将空压机用弹性绳悬挂于自由状态，用B&K3160振动测试分析系统测量空压机机脚位置的振动加速度，由此得到空压机在自由状态下的振动激励特性，如图4所示，其主要振动峰值集中在0～800 Hz频率范围内。图5是3个不同基座的原点加速度导纳对比曲线，在舱壁上基座B的导纳最大，壳体上基座A的导纳最小。说明3个基座由于自身结构参数及安装位置的差异，其结构动态特性有较大的差异，同等激励作用在舱壁基座B上时，引起基座激励点位置的振动最大。

图4 某型空压机的振动加速度级Fig.4 Vibration acceleration level of one type of air compressor

图5 不同基座激励点加速度导纳Fig.5 Exciting point acceleration admittances of different base structures

2.2 不同形式基座对壳体振动特性影响

为了得到动力设备安装后从基座到壳体的振动传递特性，本文通过自由速度法[10]间接得出动力设备工作时对安装基座面板的激励力，用激励力源F(ω)乘以结构上某点的加速度传递函数H(ω)，即可预测实际结构安装动力设备后舱段壳体的振动加速度响应。

图6是分别激励不同基座时壳体上各测点的振动加速度级，从图中可以看出，3条振动加速度响应曲线趋势一致。在100 Hz以下频率，激励在舱壁上的基座B时，传递到壳体的振动加速度响应曲线峰值最大，而激励在壳体上基座A时，传递到壳体的振动加速度响应曲线峰值最小；在100～1 000 Hz时，激励在平台上基座C时，传递到壳体的振动加速度响应曲线峰值最大，而舱壁上基座B传递到壳体的振动加速度响应曲线峰值最小。

图6 不同基座对壳体的振动加速度级影响Fig.6 Influence of difference base structures on shell’s vibration acceleration level

舱壁和平台结构振动主要为面内伸缩振动和面外弯曲振动，由于它们拉伸刚度远远高于其弯曲刚度，所以舱壁和平台结构振动以面外弯曲振动为主，弯曲振动波携带主要的振动能量，并在声辐射中起主要作用。这是由于基座A直接焊接在动力舱段壳体上，由设备激励引起的基座振动直接作用在圆柱壳体上，而舱壁上基座B、平台上基座C的振动分别通过舱壁结构、平台结构传递到壳体上，因而有更明显的振动衰减。由于平台结构(板厚3 mm)刚度较舱壁结构(壁厚6 mm)的刚度小，在设备振动从基座传递到壳体过程中，容易引起平台结构的模态耦合及共振，振动衰减相对较小，因而振动再传递到圆柱壳体上就比较大。通过对比3种基座传递到壳体的振动加速度级曲线，壳体上的振动响应主要集中在100～1 000 Hz频率范围内，舱壁上基座B传递到壳体的振动响应最小。从结构声学角度考虑，该空压机设备安装在舱壁基座B较为合适。

2.3 基座板厚对壳体振动特性影响

为了研究在壳体、舱壁及平台上基座的刚度参数对振动传递特性的影响，通过增加基座板的厚度来增大刚度，对基座A、基座B和基座C分为I型和Ⅱ型基座，其中Ⅱ型基座板厚是I型基座的2倍。

图7是激励壳体上的基座A时传递至壳体的振动加速度级，在200 Hz以下低频段时，激励Ⅰ型与Ⅱ型基座传递到壳体的振动加速度响应曲线峰值非常接近；而在200～1 000 Hz频段范围，激励Ⅱ型基座比激励I型基座引起的壳体响应曲线降低3～5 dB。图8是激励舱壁上基座B时传递至壳体的振动加速度级，在200 Hz～1 000 Hz频段范围，激励Ⅱ型基座比激励I型基座引起的壳体响应曲线降低9～12 dB。图9是激励在平台上基座C时传递至壳体的振动加速度级，激励Ⅱ型基座比激励I型基座引起的壳体响应曲线降低3～5 dB。

图7 基座A板厚对壳体的振动加速度级影响Fig.7 Influence of panel′s thickness of base A on shell′s vibration acceleration level

图8 基座B板厚对壳体的振动加速度级影响Fig.8 Influence of panel′s thickness of base B on shell′s vibration acceleration level

图9 基座C板厚对壳体的振动加速度级影响Fig.9 Influence of panel′s thickness of base C on shell′s vibration acceleration level

由此可见，增加基座刚度(增大基座板厚)时，在200 Hz以下频率范围，对壳体上的振动响应影响很小，而在200～1 000 Hz频率范围可以明显降低壳体上的振动，且增加舱壁上基座B的刚度时减振效果更加明显。其原因是增加基座板厚后，在基座板内弯曲振动和面内振动(纵波和剪切波)的波速减小，振动波的振动能减小，从而减小基座到壳体振动传递。在200 Hz以下频率范围内波速减小对振动能的影响较小，但随着频率的增加，波速的减小可以明显降低振动波的振动能，因此，中高频段的减振效果明显。

为了进一步量化各类型基座传递到壳体上的振动响应，用加速度振级落差作为评判指标，定义如下：

式中：al为壳体振动加速度响应值；ap为基座激励点振动加速度响应值。取壳体周向0°方向不同肋位上的点为代表，预测得到基座到壳体的振级落差如表3所示。分别激励壳体上A-Ⅰ型基座和A-Ⅱ型基座时传递到壳体上各测点的平均振级落差为38.63 dB和28.20 dB，增大基座A刚度降低壳体振动10.43 dB。分别激励舱壁上B-Ⅰ型基座和B-Ⅱ型基座时传递到壳体上各测点的平均振级落差为43.62 dB和32.08 dB，增大基座A刚度降低壳体振动11.54 dB。分别激励平台上B-Ⅰ型基座和B-Ⅱ型基座时传递到壳体上各测点的平均振级落差为32.62 dB和24.26 dB，增大基座A刚度降低壳体振动8.36 dB。

表3 基座至壳体的振级落差

3 结 语

本文采用实验和仿真2种方法分别对不同基座至动力舱段壳体的振动传递及振动响应特性进行分析，得到如下结论：

1)采用振动实验和有限元仿真相结合的方法，提出一种快速准确预测基座传递到壳体的振动响应方法，该方法可用于动力舱段及基座结构的声学设计。

2)在某空压机振动激励条件下，对比分析壳体、舱壁及平台上3种基座传递到壳体的振动加速度响应，空压机设备安装在舱壁基座B时振动最小，为动力设备选择合理的安装基座类型提供了参考。

3)通过增强基座刚度(增加板厚)可以减少基座传递至壳体的振动加速度响应，在某空压机振动激励条件下，舱壁上基座B的板厚增加1倍时，壳体上的振动响应可降低11.54 dB。

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