基于有限元动力计算的基座隔振性能研究

2014-06-27,,,,

船海工程 2014年3期

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(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

船舶是舰船振动、噪声的主要来源[1]。振动不仅会影响主机功率的发挥，还会导致结构疲劳寿命的下降，甚至导致结构断裂、变形，严重影响船舶机械寿命，并严重影响舰船的声隐身性能。

基座是连接动力设备与船体结构的主要构件，其是机械振动传递到船体结构的重要途径。目前对船舶基座隔振性能的研究主要采用波动理论，根据结构突变时波型转换阻抗失陪等在相应部位增加阻振质量或改变阻振质量的截面形状来隔离结构声的传递效果，或改变基座面板腹板的连接形式和基座结构参数来进行减振降噪[2-7]，而对基座的结构形式在减振降噪中的研究较少。本文在目前舰船所用到的基座形式的基础之上，根据阻抗失配原理提出4种基座形式，并建立有限元模型，进行有限元动力分析。采用基座面板原点速度阻抗、基座的动刚度、外板的振动功率级、外板的加速度级、上下参考点加速度振级落差及传递率对4种基座的隔振效果进行评估。

1 舱段和基座的建模

由于动力设备一般都是安装在基座上，当机械设备将振动通过隔振器传递给基座面板后，振动波沿着基座腹板等结构向其它结构传递，最终引起艇体向水中辐射噪声。船体内基座都是由各种形式的连接结构串联或者并联组合而成，不同的结构其振动波的传递特性也不同。因此可以通过改变结构的连接形式，构造高传递损失基座，进而来抑制振动波的传递，最终降低船体向水中辐射噪声。隔离船体结构振动噪声有效的方法是在振动能量传递途径上对其进行吸收和使其反射，其实质就是使结构不连续、结构的阻抗发生突变和非结构材料吸收消耗部分能量，进而达到减振降噪的目的。基于该原理，基座的设计可以采用组合不同材料构成基座面板或腹板、插入大质量构件(如阻振质量)和使用大阻尼材料等策略，这些都能实现结构阻抗突变的效果。

1.1 舱段的建模

本舱段是在某舰的基础上经过简化而建立的。建立的船体舱段模型见图1。

图1 舱段结构模型

船体舱段长13 m，船宽20.4 m，舱段高度14.6 m，基座长1.3 m、宽1.8 m，舱段左右对称，各有一个基座。舱段共有三层甲板和双层底组成，甲板、双层底和船体舷侧均有肋骨和加强筋增加刚度和强度。其中甲板、舷侧和双层底由SHELL63单元模拟，肋骨和桁架由BEAM188单元模拟。船舶结构在进行有限元网格划分时，其内部结构(包括肋板、肘板、加强筋等)以及船体外表面均采用每个波长范围有5个节点(4个单元)的网格划分的原则，但未保证数据精确，在计算机计算能力允许的范围内尽量细化网格，提高网格质量。钢板中纵波波速为5 439.28 m/s，模型中最小板厚h=8 mm，计算频率上限为400 Hz时，板中的弯曲波波长为0.447 m，要求单元尺寸最大为0.112 m，本文的网格大小最大为0.1 m，满足上述要求。

舱段的有限元模型共有94 821个单元，节点96 238个。其中有84 002个SHELL63单元，8 928个BEAM188单元和1 891个SOLD95单元。钢为各向同性材料，弹性模量E=2.1×1011Pa，泊松比γ=0.3，密度ρ=7 860 kg/m3，损耗因子η=0.02。

1.2 4种基座模型的建立

为了降低某舰的振动噪声水平，特意建立了4种基座模型。

1号基座结构由面板和支撑的纵横相交的4个腹板以及基座底部和船体连接处的4根方钢组成。面板厚度为16 mm，腹板厚度为12 mm。基座质量为984.56 kg。建立的有限元模型共有2 990个单元，3 358个节点。见图2。

图2 1号基座模型

2号基座结构由面板和支撑的上下两层交错布置的有间距的两组桁架式结构组成，为了加强其刚度在中间增加交错的4根支撑部件。基座面板厚度为20 mm，桁架厚度为10 mm。基座质量为424.68 kg。建立的有限元模型共有3 947个单元，4 077个节点。见图3。

图3 2号基座模型

3号基座由上下交叉布置的3层面板和腹板组成，中间由槽钢支撑。充分运用了阻抗失配原理中透射效率最低的结构形式。基座质量为724.34 kg。建立的有限元模型共有1 034个单元981个节点。见图4。

图4 3号基座模型

4号基座在1号基座的基础上，在其底部加上了纵横相交的4个槽钢。4号基座质量为1 220.13 kg。建立的有限元模型共有2 247个单元，2 140个节点。见图5。

图5 4号基座模型

舱段测点以及各基座评价点见图6和图7。其中舱段测点和4种基座的评价点布置均为对称布置，图中只标出了部分评价点。舱段评价点总数为30个，1号基座评价点有8个，2号基座评价点有6个，3号基座评价点有10个，4号基座评价点有12个。

图6 舱段评价点示意

图7 4种基座评价点示意

2 评价指标

通过计算4种基座的基座面板原点速度阻抗、基座的动刚度、外板的振动功率级、外板的加速度级、上下参考点加速度振级落差、传递率对其隔振效果进行评估。加载过程中，舱段两端固支，激励力为基座面板上0～400 Hz的单位力，采用直接计算法计算得到每个频率处激励点、基座底部评价点和壳体上30个评价点的速度、加速度。评价点的总振级和基座的平均振级表达式分别为

(1)

(2)

式中：N——计算频率区间输出频率点数目;

M——评价点数目。

对于单位力作用下的舱单上的评价点，取1.0×10-18m2/s2为速度平方的参考值，按式(3)计算得到单位力作用下的舱段均方速度级(dB)

(3)

对于单位力作用下的舱段上的评价点，取1.0×10-12m2/s2为加速度平方参考值，按式(4)计算得到单位力作用下舱段的振动加速度级

(4)

按式(5)计算得到单位力作用下的加速度振级落差。

TL=Lin-Lout

(5)

式中：Lin——输入点的加速度级;

Lout——基座下部的平均加速度级。

3 结果及分析

3.1 固有频率计算

整体模型的边界条件为舱段两端固支，由模态计算得到4种基座整体模型的前10阶固有频率，见表1。

表1 基座固有频率计算结果 Hz

3.2 基座刚度

通过在基座面板上施加单位力来求得基座底部的平均位移，得到4种基座的静刚度见表2。

表2 基座的静刚度 N/m

由表2可见,2号基座的刚度最小，与其它3种基座相差1到2个数量级。1号和3号基座静刚度在一个数量级上，4号基座的静刚度最大，1号和3号静刚度接近.

系统的动刚度是指系统在动态载荷作用下所具有的刚度，其大小等于系统产生单位动态位移时所需施加的外部激扰力。当外部激扰力频率与系统固有频率相近时，动态位移会达到峰值，系统的动刚度最小。4种基座的动刚度随频率的变化关系见图8。

图8 动刚度对比示意

由图8可见，在0～100 Hz以内，4种基座的动刚度接近，但1、3、4号基座在40 Hz附近出现了谷值，说明这3种基座在40 Hz附近出现共振。100 Hz以上4种基座的动刚度变化较大，其中4号基座的动刚度在中频段普遍大于1号和3号种基座，其发生共振的频率可能为100、150、170、230、270和340。2号基座动刚度曲线变化较大，桁架式基座与板架式基座相比在中频刚度较大，1号基座在220 Hz以前变化趋势和4号基座相似，但在220 ～260 Hz时与4号基座相比明显呈现下降趋势，这可能是4号基座下部的槽钢增加了基座在高频的动刚度，1号和4号基座在结构形式上具有一定的相似性，其变化规律相近。3号基座的动刚度和1号相近，但最小。可能由于采用的板架交错布置的形式使刚度降低。

3.3 隔振性能分析

四种基座的原点速度阻抗见图9。

图9 原点阻抗幅值

由图9可见，1号、3号和4号基座的原点速度阻抗在100 Hz以下相近，都在30 Hz附近出现了一个峰值，这可能是舱段本身的固有频率。在115 Hz附近原点速度阻抗出现了谷值，这说明在此频率附近舱段位移变大，可能出现了共振，但4号基座的突变较大，说明可能此频率范围是4号基座模态，查看表1可以看到4号基座在115 Hz有一个固有频率。2号基座的阻抗变化与其他基座的变化不同，在低频段整体阻抗较小，但是在100～400 Hz频段其原点阻抗较大。这说明2号基座与其它三种基座因形式不同而造成原点速度阻抗的差别较大。

图10、11是4种基座的外板均方速度级和外板加速度级。

图10 外板的均方速度级

图11 外板加速度级

对比1、3号和4号基座，看到在0～100 Hz基本一致，2号基座和其它3种基座却不同，曲线相当于左移了一段距离，这说明在低频段，外板的变化趋势一样，但2号基座会导致共振峰左移，导致低频外板振动均方速度降低。1、3号和4号基座外板加速度级变化趋势一样，但出现的波动点却不太一样，这可能与舱段和基座的耦合模态有关，在不同的频率处激发了相应的模态。4号基座比1号基座在150～400 Hz振动水平较高。2号基座外板均方速度级与1号基座相比降低了1.8 dB，3、4号比1号相应增加了2.3 dB和2.9 dB。2、3号和4号基座的外板平均加速度级比1号增加了11.2、 6.3和2.8 dB。整体上来说1号基座的隔振性能更好些。

图12给出了4种基座的加速度振级落差。1号基座的加速度振级落差明显大于其它3种基座，2号基座的加速度振级落差最小，3号和4号基座相近。在较高的频率内4号基座具有较好的隔振性能。