低振动粘弹性阻尼结构油箱仿真与试验研究

李德远，武　朝，毛旭耀，刘贻欧，毋　迪（. 海军驻43厂军事代表室，辽宁 葫芦岛 5004；. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 43005）

低振动粘弹性阻尼结构油箱仿真与试验研究

李德远1，武朝2，毛旭耀2，刘贻欧2，毋迪2
（1. 海军驻431厂军事代表室，辽宁 葫芦岛 125004；2. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430205）

为解决结构油箱振动大、易于传递的突出问题，本文应用有限元理论对油箱进行形式结构模态分析，得出了油箱的多阶固有频率，并据此确定了合理的油箱结构形式。在此结构油箱基础上，通过填充粘弹性阻尼降低结构油箱的振动并开展试验。试验结果表明，粘弹性阻尼结构油箱较无阻尼结构油箱在 50 Hz 的液压泵组激振频率条件下，减振效果可达 15 dB。

结构油箱；模态分析；粘弹性阻尼

0　引　言

紧凑型液压系统设计中，油箱通常作为整个油站的安装基座，液压泵、液压阀块、过滤器、冷却器等设备及附件均安装在油箱上，以减小油站的占地尺寸，提高集成化程度，因此油箱必须是一个高强度结构件，具备足够的强度和刚度，这种油箱通常被称作结构油箱。液压泵组作为振动噪声源，其振动直接传递给结构油箱，一旦液压泵组的激振频率与结构油箱的固有频率相接近，将产生强烈的共振现象，增大系统振动噪声，严重影响液压系统的正常运行。因此有必要对结构油箱进行优化设计，确保结构油箱的固有频率避开液压泵组的激振频率，并增加阻尼以减小油站整体的振动噪声。

1　粘弹性阻尼

粘弹性阻尼材料是近年来发展起来的一种有效的减振降噪技术，可以在很宽的频域和温域范围内实现振动控制，特别适用于随机宽带条件下的结构减振问题，同时粘弹性阻尼材料具有使用成本低和易于操作等特点，因而被广泛应用［1-5］。

粘弹性阻尼材料的工作机理：粘弹性材料具有弹性和粘性双重特性，这种材料在结构振动外力引起的交变应力作用下，其曲折的分子链会产生拉伸、扭曲等变形，由于分子运动要克服阻力，因此应变往往滞后于应力的变化，在一定频率和温度范围内，这种滞后现象十分明显，滞后的形变运动需要克服较大的阻力，通过这种分子间的内摩擦力把力学能量转化为热能，可将一部分振动机械能量在阻尼内部消耗掉，起到阻尼效果，以达到减小振动能量的目的［6-8］。

2　结构油箱的模态分析

本文油站所用泵组的转速约 3 000 r/min，经检测，该泵组在 50 Hz 附近存在较大的振动，在 0 ～ 3 kHz 的其他频率段振动幅度均较小，因此要求结构油箱的固有频率尽量远离 50 Hz，以减小油站整体的振动。根据结构油箱的载荷情况，本文对油箱进行结构设计，提出 A，B，C 三种设计方案，并借助 Ansys 软件对结构油箱进行模态分析，求解出固有频率，利用分析数据对结构油箱设计结果的合理性进行评判。

2.1油箱 A

较高阶频率所对应振型在振动过程中对设备的振动影响较小，并且由于结构中阻尼的存在，高频对应的振型会迅速衰减，因此分析设备的前几阶固有频率即可［9-10］。在 Ansys 软件中采用四边形四节点板壳单元 Shell 63，材料为钢，密度为 7 950 kg/m3，杨氏模量为 2.1 × 1011Pa，泊松比为 0.3，并运行 Block Lanczos方法进行模态分析计算，得出油箱 A 的前 10 阶固有频率如表1 所示。

表1　油箱 A 的固有频率Tab. 1　Characteristic frequency of tank A

从表1 可看出，油箱 A 的 1 阶固有频率为 57.9 Hz，非常接近于液压泵组的固有频率 50 Hz，容易引起共振，因此必须对油箱进行改进设计，其 1 阶振型如图1 所示。

图1　油箱 A 的 1 阶振型图Fig. 1　First order model of tank A

2.2油箱 B

从图1 可看出，油箱 A 的一阶振动主要发生在油箱底部，因此需要对此处的结构进行改进设计，同时考虑到安装滤器等附件。

利用 Ansys 对油箱 B 进行模态分析，得出其前 10阶固有模态频率如表2 所示，1 阶振型图如图2 所示。

表2　油箱 B 的固有频率Tab. 2　Characteristic frequency of tank B

图2　油箱 B 的 1 阶振型图Fig. 2　First order model of tank B

从表2 可看出，油箱 B 的 1 阶固有频率为 82.5 Hz，约为液压泵组固有频率的 1.65 倍，基本可以避免出现共振现象。油箱 B 的 1 阶振动集中在油站附件安装面板上，油箱整体框架结构几乎无振动，说明油箱 B 的结构设计合理可行。

2.3油箱 C

为进一步研究填充粘弹性阻尼材料对结构油箱固有频率的影响，以油箱 B 的结构为基础，在其 4 个侧面及底面填充 5 mm 厚的某粘弹性阻尼材料，建立油箱 C 的有限元模型。

对油箱 C 进行模态分析，得出其前 10 阶固有模态频率如表3 所示，1 阶振型图如图3 所示。

从表3 可看出，油箱 C 的 1 阶固有频率为 79.6 Hz，约为液压泵组固有频率的 1.59 倍，也可避免出现共振现象，说明油箱 C 的结构设计合理可行。

对比表2 和表3 可看出，油箱 C 的各阶固有频率均比油箱B对应的固有频率有所降低，降低约 3 ～ 7 Hz。

表3　油箱 C 的固有频率Tab. 3　characteristic frequency of tank C

图3　油箱 C 的 1 阶振型图Fig. 3　First order model of tank C

3　试验对比分析

通过 Ansys 仿真分析可知，油箱 B 和油箱 C 的结构设计均满足使用需求，为进一步研究填充粘弹性阻尼材料的减振效果，开展试验以测试样机的振动响应。

3.1样机及测点布置

振动测试样机及测点布置如图4 所示。

图4　样机实物图Fig. 4　Prototype practicality picture

试验采用宽带随机激励，测量样机填充粘弹性阻尼前后的振动加速度响应。测试频率范围 0 ～ 3 kHz，激励方式采用电磁式激振机，共 2 个激振点，激振点1 位于样机上表面边界处，激振点 2 位于样机上表面面板中心，在试验样机上一共布放 16 个加速度计，分别布置在油箱的 6 个面上。

3.2测试系统

测试系统由工控机、信号发生器、功率放大器、激振机、数据采集系统、加速度传感器等组成（见表4）。信号发生器发出振动信号，通过功率放大器传递给电磁激振机，作用在试验样机激振点位置，数据采集系统采集 16 个加速度传感器的检测数据，并传递给工控机以记录和处理相关数据。

表4　仪器仪表清单Tab. 4　Instrument list

3.3试验结果

图5　上面板测点加速度信号线谱图Fig. 5　Acceleration signal spectrum diagram of the upper panel measuring point

图6　上面板测点传递损失图Fig. 6　Transfer loss diagram of the upper panel measuring point

本试验测点较多，限于论文篇幅，本文在油箱上面板、前侧面板和底面板各选取一个测点，将 3 个测点的数据整理分析如下：

1）上面板测点

图5 ～ 图6 是上面板在样机填充粘弹性阻尼材料前后振动加速度响应对比图。从图5 ～ 图6 可看出，填充粘弹性阻尼材料后，样机上面板在 40 Hz 以下频段减振效果不明显，在 40 ～ 200 Hz 频段，减振效果在1 ～ 5 dB，在液压泵组激振频率 50 Hz 附近，减振约1 dB，在 200 Hz 以上频段，减振效果较好，达到5 ～ 15 dB。

2）前侧面板测点

图7 ～ 图8 是前侧面板在样机填充粘弹性阻尼材料前后振动加速度响应对比图。

图7　前侧面板测点加速度信号线谱图Fig. 7　Acceleration signal spectrum diagram of the front panel measuring point

图8　前侧面板测点传递损失图Fig. 8　Transfer loss diagram of the front panel measuring point

从图7 ～ 图8 可看出，填充粘弹性阻尼材料后，样机前侧面板在 40 Hz 以下频段，减振效果在 2 ～ 5 dB，在 40 ～ 200 Hz 频段，减振效果明显，达到 10 ～ 25 dB，在液压泵组激振频率 50 Hz 附近，减振约 15 dB，在200 Hz 以上频段，减振达到 15 dB 以上。

3）底面板测点

图9 ～ 图10 是底面板在样机填充粘弹性阻尼材料前后振动加速度响应对比图。从图9 ～ 图10 可看出，填充粘弹性阻尼材料后，样机底面板在 40 Hz 以下频段，减振效果非常明显，平均达到 15 dB 以上，在 40 ～200 Hz 频段，减振效果明显，平均达到 10 dB 以上，在液压泵组激振频率 50 Hz 附近，减振约 20 dB，在200 Hz 以上频段，除个别频段减振 5 dB 左右，大部分都在 10 dB 以上。

3.4试验结论

通过对试验样机在填充粘弹性阻尼材料前后的振动响应数据对比，可以得出以下结论：

1）通过填充粘弹性阻尼材料可以有效降低结构油箱的振动，而且粘弹性阻尼材料可以在很宽的频域内对振动进行控制。

2）结构油箱的侧面板和底面板的减振效果比较明显，在 200 Hz 以下的低频段，减振效果在 10 dB 左右，在 200 Hz 以上的高频段，减振可达 15 dB 以上。

3）由于结构油箱的上面板未填充粘弹性阻尼材料，所以该部位的减振效果不显著，在 200 Hz 以下的低频段，平均减振效果在 2 dB 以下，在 200 Hz 以上的高频段，减振效果约 5 dB。

4）结构油箱的侧面板和底面板被设计为油站的安装面，在 50 Hz 的激振条件下，减振效果均在 15 dB以上，因此在液压泵组正常工作时（工作频率为 50 Hz），可以有效降低油站向周边结构的振动传递。

图9　底面板测点加速度信号线谱图Fig. 9　Acceleration signal spectrum diagram of the bottom panel measuring point

图10　底面板测点传递损失图Fig. 10　Transfer loss diagram of the bottom panel measuring point

4　结　语

本文在 Ansys 模态分析的基础上设计出结构合理的油箱，并且在试验室开展相关试验，对比分析试验样机填充粘弹性阻尼前后的振动加速度响应，研究填充粘弹性阻尼材料对结构油箱振动的影响，得出如下结论：

1）通过 Ansys 仿真分析优化设计出合理的结构油箱，避开了液压泵组的激振频率。

2）填充粘弹性阻尼材料会降低结构油箱的各阶固有频率，为避免出现共振现象，有必要运用 Ansys 软件对其进行模态分析。

3）填充粘弹性阻尼材料可以有效降低结构油箱的振动，尤其是在 50 Hz 的液压泵组激振频率条件下，减振效果可达 15 dB 以上，充分说明采用填充粘弹性阻尼材料的方法来降低结构油箱的振动可行。

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Simulation and experimental study on low vibration and viscoelastic damping constructional tank

LI De-yuan1， WU Chao2， MAO Xu-yao2， LIU Yi-ou2， WU Di2
（1. The Naval Representative Office in No. 431 Shipyard， Huludao 125004， China；
2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute， Wuhan 430205， China）

In order to solve the problem of high vibration and easy transfer of constructional tank， modal analysis has been executive with the finite element theory， which calculates the characteristic frequency to adopt the reasonable construction of the tank. Based on this， viscoelastic damping has been filled in to reduce the vibration of constructional tank，and the experiment has been carried out. It is showed under the condition that the excited frequency is 50 Hz， the viscoelastic damping constructional tank can reduce vibration strength as much as 15dB， compared with the tank without viscoelastic damping.

constructional tank；modal analysis；viscoelastic damping

TH137

A

1672-7619（2016）05-0074-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.016

2015-12-04；

2016-02-02

李德远（1965-），男，高级工程师，主要从事船舶装置研究。