磁流变阻尼器在船舶减振中的应用

朱永凯，时光志，夏华波，杨 波，吕瑞升

(中海油能源发展采油服务公司，天津300452)

磁流变阻尼器在船舶减振中的应用

朱永凯，时光志，夏华波，杨 波，吕瑞升

(中海油能源发展采油服务公司，天津300452)

在传统减振元件基础上配合使用磁流变阻尼器构成新型船舶智能减振系统。介绍该系统的减振原理，并根据其特定工作环境对其在实船中的链接形式进行设计。通过数值分析结果与减振理论分析趋势的对比，分析数值仿真方法在船舶减振领域应用的有效性和可行性。

磁流变设备;船舶减振;有限元

0 引言

船舶上常用的减振设备主要为弹性减振元件，如弹簧、橡胶垫等，这些减振元件通过弹簧或橡胶在运动过程中的能量耗散来抑制结构振动。此类减振设备具有结构简单、易于实现、经济、可靠等优点，但由于其结构参数是在某一特定环境最优化设定的，而该参数一经设定就无法改变，缺乏控制上的灵活性。单纯依靠船体结构自身的强度和刚度或常规的减振元件来降低船上设备引起的振动干扰不合适。因此，研究和探寻合理、经济而有效的船舶结构减振设备，对于提高船舶振动控制水平具有重要的理论和实际意义。

船舶减振设备应当具有简便、安全、成本低廉的特点。现阶段大量新技术和新材料的涌现，为船舶减振系统的设计提供了条件，因此有必要对船舶减振设备进行研究，以获得合适的减振措施。

磁流变阻尼器是一种发展迅速，性能优良的减振设备，已在汽车、机械装置、桥梁以及土木建筑等领域得到广泛应用，部分产品已经应用于实际工程，展现出了良好的应用前景，但在船舶减振方面的研究还处于起步阶段。因此，研究和探索磁流变阻尼器在船舶减振系统中的应用，对于提高船舶减振水平，特别是提高船舶的生命力和战斗力具有重要的理论和实践意义。

1 磁流变阻尼器减振系统的减振原理

为了说明磁流变阻尼器的减振原理，以单层减振系统为例进行分析。

1.1 单层减振系统

设备与基础 (或称基座)之间通过具有较大弹性的减振元件支撑，而非刚性相连，则设备、基础与具有较大弹性的减振元件所组成的系统就称为减振系统。下面以单层积极减振系统［1］进行说明，如图1所示。

图1 单层减振系统Fig.1 Single layer vibration isolation system

以质量块的静力平衡位置为原点，建立图示坐标x(t)，对图1中的质量块 (主机或机械设备)进行受力分析。

根据达朗贝尔原理求出质量块的平衡方程式，则积极隔振系统运动方程为

式中F(t)=Acosωt，A为机械设备的振幅，则

当机械设备运动时，通过减振器传至基础的力由2部分组成：一是弹簧力，幅值为kx;二是阻尼力，幅值为，即

二者合力的幅值等于：

式中T为力传递率，定义为传递至基础的力与激励力之比，即

根据式(5)所列出的等式，可以得到力传递系数T随频率比ω/ωn变化的曲线，如图2所示。

图2 传递率T随频率比ω/ωn变化曲线Fig.2 Transfer rate increases with the frequency ratio curve

1.2 磁流变阻尼器的减振原理

从图2可以看出，振动系统传递率变化曲线随阻尼率的变化而变化，阻尼率的变化主要从以下2个方面改变传递率的变化：

1)阻尼率不同，共振峰所对应的频率比不同，说明可以通过调节阻尼率，改变共振峰处的频率;

通过上面的分析可知，改变传递率可以通过2个角度来考虑。传递率愈小意味着减振效果愈好，通过调节磁流变阻尼器降低振动系统的传递率，就是我们研究的目的。

磁流变阻尼器的减振原理是通过调节阻尼器阻尼的大小来对结构振动进行控制，调节磁流变阻尼器的阻尼应满足以下2点：首先，应该避免振动发生在共振附近区域;其次，激振力频率与系统固有频率之比小于时，应增大减振系统的阻尼率，而在激振力频率与系统固有频率之比大于时，应减小减振系统的阻尼率。

2 磁流变阻尼器减振系统设计技术

将磁流变阻尼器应用到船舶减振系统中［2］的主要目的是解决现有船舶减振元件的低频线谱减振问题。具体解决途径是在传统减振元件基础上并联智能出力元件构成新型船舶智能减振系统，使智能船舶减振系统的动力学特性由固定不变转变成智能可控的，使得减振系统的动力学特性可以根据激励和响应的情况自主调节，从而达到设计目的。船舶智能减振系统示意图如图3所示。

图3 船舶智能减振系统示意图Fig.3 Intelligent vibration damping system diagram

本文使用具有高弹性变形特性的钢丝绳减振器和橡胶减振器，分别与阻尼力可控的磁流变阻尼器进行设计船舶智能减振系统。

2.1 设计的基本依据

为了对磁流变阻尼器应用于船舶减振系统进行设计，必须知道下列原始数据［3］：

1)设备的重量;

2)设备的脆值，即设备失效或失灵时所能承受的振动量;

3)原有减振设备条件下的振动特性，即减振设备刚度和阻尼。

2.2 磁流变阻尼器减振系统设计步骤

磁流变阻尼器减振系统的设计［3－4］是根据已知条件，选择磁流变阻尼器的个数，通过适当的连接形式与原有减振元件配合使用，降低设备产生的振动量，从而达到保护设备的目的。具体步骤如下：

1)通过测试和分析有关方面提供的资料，确定被减振设备允许的振动量的大小和频率范围;

2)确定所设计的减振系统应达到的减振系数值;

3)根据要求的减振系数值，由相应公式计算出频率比以及相应的阻尼比;

4)由阻尼比和原减振系统的刚度确定磁流变阻尼器的选取和布置形式;

在选用阻尼器时，需要全面考虑减振设计的要求，不仅保证有较高的减振效率，同时要尽可能做到使用寿命长、经济性高。

2.3 磁流变阻尼器的选择与布置原则

合理布置磁流变阻尼器是船舶智能减振系统设计中重要环节之一［3］。合理布置磁流变阻尼器能够有效地减少各个自由度振动间的耦合，并使各个自由度的固有频率接近，从而有利于提高减振效果。磁流变阻尼器布置时应参照以下原则［5］：

1)阻尼器安装在设备重心所在的平面内。

2)阻尼器的布置对称于设备的重心。

3)当设备从某平衡位置沿坐标轴平移一距离时，磁流变阻尼器对设备的作用力的合力应通过设备的重心;当设备绕某一坐标轴旋转时，各阻尼器对设备的作用力的合成应为一力偶，力偶作用平面垂直于该坐标轴。

4)在同一个减振装置中，尽可能地采用相同型号的阻尼器，根据重量及重心位置，力求各个阻尼器所承受的载荷相同。

5)当设备的形状和质量不对称，而采用不同型号的阻尼器时，应使各阻尼器的支承点的变位一致，以保证减振装置在振动中处于水平状态。

3 磁流变阻尼器实船连接形式设计

针对船体舱段中的具体基座结构形式，对磁流变阻尼器在减振系统中的连接形式进行设计。将磁流变阻尼器连接到机座，再通过铰接形式与振动设备相连，磁流变阻尼器连接到机座与振动设备之间，与传统减振元件组成船舶智能减振系统，连接形式如图4～图5所示。

图4 减振元件布置正视图Fig.4 Vibration damping element is arranged front view

图5 减振元件布置侧视图Fig.5 Vibration damping element is arranged side view

图中构件1为传统减振元件，2为磁流变阻尼器。采用的连接形式将磁流变阻尼器安装到机座与振动设备之间，可以通过调节结构来满足安装不同型号的阻尼器，使用时只需在原机座上去掉部分钢板，就可将阻尼器安装上。其结构简单，便于操作，相对于直接将磁流变阻尼器安装到基座更加方便，充分利用空间，便于船舶结构优化。

4 磁流变阻尼器减振系统的减振效果

将磁流变阻尼器应用于船舶典型设备的减振系统中，船舶减振系统示意图如图3所示。通过数值分析，对比安装磁流变阻尼器前后系统振动位移变化，验证磁流变阻尼器在船舶减振应用中的效果。

以Ansys软件为平台，建立船舶机舱舱段模型，并针对船舶典型设备的减振系统进行设计，建立舱段减振系统有限元［6］模型。整个模型由舱段、设备、减振系统和基座4部分组成。船体舱段为某型船的实际结构，其板架、梁结构分别由SHELL63和beam188来模拟，其尺寸与实际结构大小一样。设备采用质量块模拟，用solide45单元对其［7］建模;设备和基座之间采用传统减振元件和磁流变阻尼器并联进行减振，其中传统减振元件为4个，磁流变阻尼器为2根的情况，均采用spring－damper 14单元进行模拟，建立减振设备的刚度和阻尼。整个基座由面板及腹板构成，其中纵向腹板由2块12 mm钢板构成;横向钢板由7块10 mm钢板构成;基座水平面板厚30 mm。船体舱段减振系统的有限元模型如图6所示。

图6 船体舱段减振系统有限元模型Fig.6 Cabin vibration finite element model

通过谐响应分析得出，不同输入电流情况下，安装磁流变阻尼器前后基座处振动位移随频率比变化曲线如图7和图8所示。

图中s为位移，f为激振力频率。观察图中振动系统位移随频率变化曲线可以看出，安装磁流变阻尼器后，基座在频率比小于范围内的位移明显降低，说明可以通过安装磁流变阻尼器来对设备振动时频率比小于范围内进行有效的控制。同时还可以发现，随输入电流的增加对频率比小于范围内位移降低的越大，说明可以通过调节磁流变阻尼器输入电流的大小对设备振动进行有效的抑制。

图7 基座振动位移随频率变化曲线Fig.7 Seat vibration displacement as a function of frequency variation curve

图8 基座振动位移随频率变化曲线Fig.8 Seat vibration displacement as a function of frequency variation curve

数值分析结果与理论分析结果基本一致，说明数值仿真方法在船舶减振设计领域的有效性和可行性，同时验证磁流变阻尼器在船舶减振应用中具有良好效果。

5 结语

首先在传统减振元件基础上并联磁流变阻尼器构成了新型船舶智能减振系统，详细介绍此系统的减振原理，并根据其特定工作环境对其在实船中的连接形式进行设计;其次，数值分析结果与减振理论分析趋势基本一致，说明数值仿真方法在船舶减振设计领域的有效性和可行性，同时验证了磁流变阻尼器在船舶减振应用中具有良好效果。

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Magneto-rheological damper application research in the ship’s vibration control

ZHU Yong-kai，SHI Guang-zhi，XIA Hua-bo，YANG Bo，LV Rui-sheng
(CNOOC Energy Technology and Services-oil Production Services Co．，Tianjin 300452，China)

On the basis of traditional damping element using magneto-rheological damper constitutes a new intelligent vibration damping system，introduced the intelligent vibration damping system for damping principle，and link type is designed according to the particular work environment．Through the numerical analysis results and the theoretical analysis of the vibration trend comparison，analysis of numerical simulation method in ship vibration field application effectiveness and feasibility．

magneto-rheological equipment;ship vibration;finite element method

U664．6

A

1672－7649(2014)01－0079－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.01.016

2013－01－28;

2013－04－07

朱永凯(1982－)，男，硕士，工程师，主要从事海上油田装备研发工作。