螺栓连接及其预紧力矩对船舶约束阻尼板振动特性的影响

徐得志,任晋宇

(武汉交通职业学院 船舶与海洋工程学院,武汉 430065)



螺栓连接及其预紧力矩对船舶约束阻尼板振动特性的影响

徐得志,任晋宇

(武汉交通职业学院 船舶与海洋工程学院,武汉 430065)

针对船舶约束阻尼板的不同敷设工艺方案，通过数值仿真计算及试验测试约束阻尼板的结构模态阻尼因子，分析螺栓及螺栓预紧力矩对结构模态阻尼因子的影响。仿真计算与试验结果发现，在约束阻尼层上增加螺栓后，各阶模态阻尼因子明显增加；当螺栓预紧力矩在一定范围时，绝大部分的各阶模态频率略有增加，但变化值较小，约束阻尼板上的螺栓不仅可以固定阻尼胶板还能明显增加阻尼板的减振降噪性能，但螺栓预紧力矩对阻尼板振动性能影响不大。

螺栓预紧力矩；约束阻尼板；模态特征；安装工艺

现在船舶建造过程中，为了实现低噪声安装工艺，约束阻尼层敷设技术越来越多应用于船舶板材敷设安装工艺中，约束阻尼板敷设工艺日益受到重视，约束阻尼板的安装工艺的好坏直接影响了该船结构震动性能。因此,如何抑制约束阻尼板结构的振动,控制其结构的噪声辐射是船舶企业施工人员最为关注的问题之一。目前约束阻尼板有两种安装方式：将阻尼材料利用粘性剂将其粘贴到型材上；先进行粘贴然后加螺栓固定。相关的工作集中于分析应用船舶复合材料阻尼板振动声学特征[1-2]；将敷设阻尼材料应用在加筋双层圆柱壳的低阶模态振动特性研究[3], 研究多种材料螺栓连接对结构模态及传递特性影响[4]，但关于螺栓连接及其预紧力矩对约束阻尼板的模态特征及其振动分析研究较少。同时其在实船安装过程中采用何种敷设工艺更为优异并没有定性结论。

评判敷设阻尼材料结构的减振降噪性能高低的一个主要指标是敷设阻尼材料后，结构的各阶模态所对应的模态阻尼因子是否有明显增加。一般情况下，模态阻尼因子越大，结构在外界激励情况下消耗的振动能量越多，减振降噪性能也就越好。在测试频段选取方面，考虑到结构的低阶模态对结构响应的贡献最大，其对应的振动形态所消耗的能量也最大[5]。因此考虑主要测试及计算阻尼板的低阶模态阻尼因子。本文主要根据物理测试台架建立有限元模型，采用仿真计算和物理实测方法分析实际施工过程中螺栓预紧力矩的大小变化对船舶约束阻尼板振动特性的影响，通过测试及数值仿真计算约束阻尼板的结构模态阻尼因子，来分析螺栓及螺栓预紧力矩对结构模态阻尼因子的影响，从而设定实船约束阻尼板敷设工艺参数。

1　有限元模型建模及计算

1.1模型结构

BN阻尼板试验模型的结构由上下层框架、中间带螺栓的约束阻尼板和底部的支撑结构。

针对BN阻尼板的试验模型，利用有限元软件建模，计算阻尼板结构的模态。约束阻尼板中底部钢板(6 mm厚)与框架用螺栓固定，其阻尼层约束板和框架没有接触。因此，有限元模型中阻尼层约束板边界和框架间设置1 mm间隙；在12个螺栓连接部位采用节点耦合自由度方法[6]，尽可能地与试验模型保持一致。

1.2网格划分

选择的单元类型为SOLID185。该单元用于构造三维的固体结构，通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着x、y、z方向平移的自由度。此外，该单元具有超弹性、应力钢化、蠕变、大变形和大应变能力；试验模型采用了钢板和阻尼橡胶两种不同的材料。在指定网格划分属性时，对所需划分的部分指定其材料属性、单元类型等，从而完成模型中不同材料属性的赋值，所建有限元模型见图1。

图1　有限元模型

针对BN阻尼板模型，预紧力矩为12 N·m时，有限元6阶模态仿真计算结果见图2。

图2　BN阻尼板模型前4阶模态

2　模态试验

2.1模态试验测试设备及原理

试验测试BN阻尼板结构的阻尼因子采用LMS 12通道数据采集系统及B&K 3向加速度传感器，见图3。

图3　LMS 12通道数据采集系统

对于有阻尼振动系统，其频率响应函数为[7]

式中：2jωrmrQr=1；

mr——模态质量；

Qr——比例换算因子。

2.2模态试验测试方法及步骤

采用力锤敲击板结构的某点，同时测量敲击点处的加速度响应。计算得到敲击点处的频率响应函数。其计算结构阻尼因子的方法为半功率点法。为保证能够准确测试得到各测点频响函数，并能够从频响函数曲线上准确识别出所有的前6阶固有频率(最高的模态频率不超过450 Hz)以及对应的阻尼因子，选择采样参数如下：采样率2 000 Hz；每一段数据采集点数8 k；平均次数4次；频响函数的频谱分辨率为0.24 Hz。

针对BN阻尼板进行模态试验测试，模态试验的过程是：首先在要测试的阻尼板上进行区间划分(如图4所示)，在A1、A2、A3点处安装加速度传感器；利用力锤进行多点激励，采用单点输出的方法进行各点传递函数的测量，利用模态分析软件，提取相应模态，分析结果。

图4　阻尼板模态试验台架

针对BN阻尼板模型(预紧力矩为3 N·m)，其各阶固有频率的对比见表1。

表1　预紧力矩为3 N·m时，BN阻尼板结构固有频率实测与仿真对比

由表1可见，有限元模型的前6阶的振动固有频率与测试的固有频率结果的相对误差都在5%以内，这表明本文所建立的针对粘敷约束阻尼板数值仿真模型，可很好地反映其结构的动力特性。

2.3结果误差原因

仿真结果与试验结果产生误差原因：①在进行有限元模型建模时，不可避免地对测试模型进行一些简化处理，如螺栓处，粘结面等；对工程实际阻尼进行了简化，而实际的橡胶材料的阻尼耗能机理十分复杂；②试验模型在下料、加工过程中，不可避免地会有一些尺寸上的误差，而有限元模型则严格按照设计图纸进行建模。

3　螺栓及其预紧力的影响分析

3.1阻尼板有无安装螺栓对其性能的影响

表2列出了预紧力矩为12 N·m时，BN阻尼板结构在安装螺栓以及没有安装螺栓时固有频率实测与仿真对比表。

由表2可见，在约束阻尼层上增加螺栓后，前3阶的固有频率有所增加，增加量级基本在2%～4%之间。而后3阶的固有频率增加很少，基本在1%以内。

3.2螺栓预紧力矩对约束阻尼板性能影响

加预紧螺栓约束阻尼板的模态实测与仿真结果对比分析见表3。

由表3可见，当螺栓预紧力矩从0变化到12 N·m时，绝大部分的各阶模态频率略有增加，变化值基本在1 Hz范围内。相应的模态阻尼因子大小基本在0.1%范围内波动，而且变化没有什么规律。说明螺栓预紧力矩对阻尼板声学性能影响不大。

表2　预紧力矩为12 N·m时，BN阻尼板结构固有频率实测与仿真对比

表3　加预紧螺栓BN阻尼板的模态实测与仿真结果对比

4　结束语

通过仿真计算得到的各个阻尼板模型的前6阶模态频率和试验测试得到的基本一致，计算结果的误差基本控制在5%以内，数值仿真得到的模态结构阻尼因子的变化规律基本和试验测试的结果一致，证明仿真计算模型的动力学特性基本能够反映试验模型的特点。

由于橡胶材料的阻尼耗能机理复杂，仿真模型与其存在偏差，模态结构阻尼因子计算结果相对误差较大。其误差基本在10%以内。

通过计算和测试发现，在约束阻尼层上增加螺栓后，各阶模态阻尼因子增量，得到增加量级在10%～20%之间。说明约束阻尼板上的螺栓能明显的增加阻尼板的减振降噪性能。同时得到螺栓预紧力矩对阻尼板声学性能影响不大。

在实船约束阻尼板安装时，增加螺栓件从提高减振性能方面来说是必要的，在施工过程中只要能够拧紧，就能达到固定阻尼胶板的要求以及实现约束阻尼板减振性能。

橡胶材料的阻尼性能是影响仿真计算和试验测试的重要因素，在后续研究中会进一步考虑该因素对整体结构振动性能影响。

[1] HARARI A, SANDLN B E, ZALDONIS J A. Analytical and experimental determination of the vibration and pressure radiation from a submerged stiffened cylindrical shell with two end plate[J]. Aeoust Soc Am,1994,95(6)：3360-3368.

[2] CUNEFARE K A, CURREY M N. On the exterior acoustic radiation modes of structure[J].Aeoust Soc Am,1994,96(4)：2302-2312.

[3] 陈美霞,骆东平,曹钢,等.有限元加筋双层圆柱壳低价模态声辐射性能分析[J].哈尔滨工程大学学报,2004,25(4):446-450.

[4] 陈长盛，王强，柳瑞锋，等.螺栓连接对结构模态及传递特性影响研究[J].振动与冲击,2014，33(2)：178-181.

[5] 唐锐.水下壳体结构低频声辐射预报方法与试验测试技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

[6] GHORASHI S S, VALIZADEH N, MOHAMMADI S. Extended isogeometric analysis for simulation of stationary and propagating cracks[J]. Int J Numer Meth Engng,2012(9):277-283.

[7] WARD H, STEFAN L, PAUL S. Modal analysis theory and testing[M]. Katholieke Universiteit Levven, Brussel, Belgium,1997.

Effect of Bolt Pre-tightening Torque upon the Vibration Characteristics for a Constraint Damping Plate

XU De-zhi, REN Jin-yu

(School of Shipbuilding and Marine Engineering, Wuhan Technical College of Communications, Wuhan 430065, China)

Aiming at the different technique scheme for the constraint damping plate, the influences of the bolt arrangement and pre-tightening torque upon the structural modal damping factor are analyzed by numerical and experimental methods. The results show that when the bolt number is increased, the modal damping factor of the constrained plate is increased remarkably; when the pre-tightening torque of bolts is increased, the modal frequency increases slightly. So that the bolts can obviously increase the damping noise reduction performance of damping plate, in addition to the fixed damping rubber sheet, but the bolt pre-tightening torque plays small role on acoustic performance.

bolt pre-tightening torque; constraint damping plate; modes characteristics; installation process

2015-12-23

2016-01-19

湖北省高等学校教学研究项目(2011440)

徐得志(1965—)，男，硕士，副教授

U661.44

A

1671-7953(2016)04-0054-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.013

研究方向:船舶力学性能

E-mail:515429822@qq.com