舰船典型基座输入机械阻抗特性分析

朱成雷，魏 强，郑超凡，翁章卓，冯爱景

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064)

0 引 言

在水面舰船三大噪声源中，机械噪声占有较大比重，因此合理的控制舰船动力设备的振动传递对提高水面舰船的声隐身性能有重要意义［1-3］。舰船基座作为动力设备连接船体的结构，也就成为了机械噪声的重要的传递途径［4］。随着机械阻抗方法在结构振动特性和声传递规律方面的广泛应用，舰船基座的输入机械阻抗一方面反映了对机械设备振动功率的阻绝能力，机械阻抗越大，传递给基座的振动能量就越小;另一方面为了减少对船体的输入能量和降低舰船的振动噪声，通常提高舰船基座的输入机械阻抗是比较简便和有效的途径，因此基座结构的机械阻抗也就成为了工程上重要的隔振和声学设计参数之一［5-9］。

本文以某型水面舰船为研究背景，研究了典型基座结构各参数对输入机械阻抗的影响，为工程中水面舰船的基座的设计及改进提供一定的借鉴。

1 基座系统的阻抗理论分析

对于整个设备——隔振装置——基座系统来说:

求解式(1)可得:

又因为基座的阻抗Zf远大于等效隔振器的输出端阻抗ZIf，即Zf≥ZIf，故:

根据振级落差的定义式，可得:

将阻抗Zf和Zlmf用dB 形式表示，则式(3)可化为:

式中Z0为基准阻抗;Z′f和ZImf′为采用dB 制的阻抗。

由式(4)可知在Zlmf不变的前提下，当基座阻抗Zf增加1 dB 时:

由式(5)和式(6)可以得出:当基座阻抗增加1 dB时，隔振系统的振级落差也将增加1 dB。因此提高舰船基座的阻抗特性对于减振降噪有重要意义。

2 典型基座阻抗特性值分析

虽然目前通过理论解析的方法来分析简单结构的阻抗特性非常准确，但是对于一个稍微复杂点的结构进行分析时，就会变得非常困难，因此在工程实际中一般采用数值仿真的方法来分析复杂结构的阻抗特性。本文采用有限元法研究典型台式基座在中低频段的输入机械阻抗特性。

本舱段在某舰的基础上经过简化而建立。船体舱段模型如图2 所示，船体舱段长为13 m，船宽为20.4 m，舱段高度为14.6 m，基座长为1.3 m，宽为1.8 m，舱段左右对称，各有一个基座。舱段共有3 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，分析频率为0 ～400 Hz。为保证数据精确，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。

图1 典型的基座结构图Fig.1 Structure of a typical foundation

钢为各向同性材料，参数为:杨氏模量E =2.1 ×1011Pa，泊松比γ =0.3，密度ρ = 7 860 kg/m3，损耗因子η = 0.02。

图2 舱段结构模型Fig.2 Structure of ship section

2.1 面板厚度对基座机械阻抗的影响

采用上述舱段模型，基于数值方法通过改变舰船基座面板的厚度来进行计算机械阻抗。其中设计的基座面板厚度为0.01 ～0.04 m，每隔0.002 m 计算1次，总共有16 种工况。图3 为基座的输入机械阻抗随面板厚度的变化曲线。

图3 加速度阻抗随面板厚度变化图Fig.3 Cure of acceleration impedance versus the thickness of plane

由图3 可以看到，整体上舰船基座的加速度阻抗随着频率的增加是逐渐降低的。但在峰值处可能有所变化。另外随着面板厚度的增加，舰船基座的加速度阻抗逐渐增加，其中在0 ～30 Hz 之间增加的幅度较小，约为10 dB，在30 Hz 之后，加速度阻抗增加值为之前的3 倍，约为30 dB。还可以看到，当面板厚度增加到一定的程度时，加速度阻抗的增加值越来越少，这说明在保证面板最优的利用效率时，基座面板也不是越厚越好，而是要综合考虑各因素来进行选择。另外在35 Hz 时，可以看到，加速度阻抗值反而随着面板厚度的增加而降低。在设计舰船基座时要避免此频率与设备的激励频率相重合。因为在此频率处，面板厚度越大，阻抗越小，设备传递给船体的输入功率就越大，不利于提高舰船的声隐身性能。

2.2 腹板厚度对基座机械阻抗的影响

共选用0.006 m，0.008 m，0.01 m，0.012 m，0.014 m，0.016 m 和0.018 m 六种不同厚度的基座腹板类型，来进行基座加速度输入阻抗的计算。图4 为加速度阻抗随腹板厚度变化图。

图4 加速度阻抗随腹板厚度变化图Fig.4 Cure of acceleration impedance versus the thickness of web

由图4 可看到，整体上基座的加速度输入机械阻抗随腹板厚度的增加先降低后升高，和基座面板的影响一样，加速度阻抗的升高幅度越来越小。0 ～30 Hz之间，加速度阻抗因腹板厚度变化而变化的较小，只有1 dB，而随频率的增加，变化范围增加到5 dB。另外在峰值频率处，腹板厚度越大，阻抗值不一定越大，例如在第一处波谷处，加速度阻抗不仅随腹板厚度增加有变小的趋势，而且还存在着波谷频率的移动。

2.3 腹板高度对基座机械阻抗的影响

图5 为加速度阻抗随腹板高度变化图，整体上看，加速度阻抗随腹板高度变化趋势较复杂，随着腹板高度的增加，加速度阻抗先降低，后升高，而后又降低，再升高。由于在实际工程中，基座的高度不能够自由调节，所以在设计时，可以将基座腹板高度对基座阻抗的影响作为参考。

图5 加速度阻抗随腹板高度变化图Fig.5 Cure of acceleration impedance versus the height of web

2.4 腹板开孔对基座机械阻抗的影响

图6 为不同腹板开孔情况的基座，孔离腹板边缘的距离从0.01 ～0.08 m，另外还有无开孔的情况。图7 为加速度阻抗随开孔大小的变化图，可以看到开孔对基座输入阻抗的影响非常有限，整体上基本没什么变化，唯一在峰值处存在不同。

图6 不同腹板开孔情况的基座Fig.6 Structure of dfferent foundations

图7 加速度阻抗随腹板开孔大小变化图Fig.7 Cure of acceleration impedance versus the size of plane

图8 为不同开孔加强情况的基座，工程实际中在开孔的边缘增加一圈加强结构，来保证基座的结构强度，本文研究了不同高度的围壁对基座输入阻抗的影响。图9 为加速度阻抗随腹板开孔加强的变化图，可以看到开孔加强对基座输入阻抗的影响非常有限，基本没有什么变化。在基座设计过程中，对基座的开孔以及开孔加强可以不用考虑对基座输入阻抗的影响，只需考虑结构强度等其他方面。

图8 不同开孔加强情况的基座图Fig.8 Structure of different strengthened holes on foundation

图9 加速度阻抗随腹板开孔加强变化图Fig.9 Cure of acceleration impedance versus the strengthened holes

2.5 隔振器的布置位置对基座输入机械阻抗的影响

图10 为基座面板的示意图，在基座面板上，设计了24 个点作为隔振器的布置位置，来研究不同的布置位置对基座输入阻抗的影响。

图10 基座隔振器布置位置示意图Fig.10 Structure of different vibration isolator′s location on foundation

图11 和图12 为基座隔振器的不同布置位置对基座输入阻抗的影响。由图可看出，7，9，16 和18四个位置的输入阻抗最大，其次为2，4，6，10，15，19，21 和23 八个位置，接着为8，17，12 和13 四个位置，然后是1，5，20 和24，最后为3，22和11，14。

在仔细分析图11 和图12 后，可以看到阻抗最大的位置为纵横腹板的交叉点，其次为腹板与面板的接触线，而其他位置因为面板下没有直接支撑结构，所以阻抗值较小，所以为了增大基座的阻抗，可以将隔振器的位置选在纵横腹板与基座面板的接触处。

图11 加速度阻抗随隔振器位置变化图Fig.11 Cure of acceleration impedance versus the location of vibration isolators

图12 加速度阻抗随隔振器位置变化图Fig.12 Cure of acceleration impedance versus the location of vibration isolators

3 结 语

本文基于阻抗分析理论，讨论了基座阻抗的增加对舰船减振降噪的影响。在此基础上采用有限元法研究了基座面板厚度、腹板厚度、腹板高度、腹板开孔和基座隔振器的位置对基座输入机械阻抗的影响，通过以上分析可得到以下结论:

1)面板厚度的增加对基座输入机械阻抗的提高有利，面板厚度越大，基座的输入阻抗就越大;

2)腹板厚度和高度对基座的输入机械阻抗有一定的影响，在设计基座时，可以通过改变腹板厚度和高度来改进基座的阻抗;

3)腹板开孔以及开孔加强结构对基座的输入机械阻抗基本没有影响，设计基座开孔时可以不必考虑其对基座阻抗的影响;

4)隔振器的布置位置对基座的输入阻抗有较大影响，为了提高基座的输入机械阻抗，隔振器尽量布置在腹板与面板的接触处。

［1］左鹤声.机械阻抗方法与应用［M］.北京:机械工业出版社，1987.

［2］吴文伟，沈荣瀛，沈顺根.设备基座输入机械阻抗工程估算方法［J］.振动工程学报，2004，17(增刊):694 -697.

［3］李江涛. 复合结构基座减振特性的理论与实验研究［D］.上海:上海交通大学，2010.LI Jiang-tao. Theoretical and experimental research on vibration properties of composite foundations ［D］.Shanghai:Shanghai Jiao Tong University，2010.

［4］王国志，胡玉超，仇远旺.基座参数对舰船结构振动与声辐射的影响［J］. 江苏科技大学学报(自然科学版)，2012，26(3):222 -225.WANG Guo-zhi，HU Yu-chao，QIU Yuan-wang. Effects of the base parameters on ship structural vibration and acoustic radiation［J］. Journal of Jiangsu University of Science and Technology (Natural Science Edition)，2012，26(3):222 -225.

［5］周海波，计方.典型船舶悬臂基座阻抗特性研究［J］.船舶，2013，24(5):11 -16.ZHOU Hai-bo， JI Fang. Research on impedance characteristics of cantilever base for typical ship［J］.Ship＆Boat，2013，24(5):11 -16.

［6］孙建刚，邹明松，刘艳敏.船舶基座机械阻抗特性及简化数值建模方法［C］//第十四届船舶水下噪声会议，2013.

［7］黄惜春，吴崇健，胡刚义，等. 用有限元方法计算基座阻抗［J］.舰船工程研究，2004(3):1 -11.HUANG Xi-chun，WU Chong-jian，HU Gang-yi，et al.Calculation of impedance of a ship foundation by FEM［J］.Ship Engineer Research，2004(3):1 -11.

［8］王宇，陈兴林，李光民.隔振器对舰船基座振动特性的影响［J］.舰船科学技术，2012，34(1):30 -35.WANG Yu，CHEN Xing-lin，LI Guang-min. Influence of vibration isolators to the vibration characteristics of a ship foundation.［J］. Ship Science and Technology，2012，34(1):30 -35.