船用隔振结构的实验室振动响应模拟试验系统设计

刘 浩， 王朝杰， 杨 峰， 张 翠

(1.北京环境强度研究所， 北京 100076； 2.天津航天瑞莱科技有限公司， 湖北 武汉 430056)

船用隔振结构的实验室振动响应模拟试验系统设计

刘 浩1,2， 王朝杰1,2， 杨 峰1,2， 张 翠2

(1.北京环境强度研究所， 北京 100076； 2.天津航天瑞莱科技有限公司， 湖北 武汉 430056)

为了在实验室内实现对不同船用隔振结构的隔振效果进行评估与研究，提出一种隔振结构的振动响应模拟试验系统设计方案。利用该系统，研究者可通过试验的方法对理论研究与设计进行实际验证，在完善相关理论研究的同时，也为工程上隔振设计与制造优化提供参考。

船用装置；隔振效果；试验系统；设计方案

0 引言

随着舰船、潜艇向大型化、高速化方向发展，船用设备的振动与噪声问题成为国内外学者的研究热点。船舶水下辐射噪声主要有三大类：结构噪声、螺旋桨噪声和流噪声，其中结构噪声即船体结构振动向水下辐射的噪声，是主要的噪声源之一[1]。随着造船业的发展，高强度钢的使用以及为减轻质量而采取的结构优化措施使得船舶易于发生振动[2]。而舰船、潜艇等军用船舶的声隐身能力又是关系其生命力和战斗力的重要因素，因此，通过减、隔振技术降低船舶振动噪声水平是非常重要的任务[3-4]。目前，减、隔振系统已在工程实践中大量应用，减、隔振技术已经成为船舶机械振动噪声控制的核心技术之一[5-6]。

通过多年研究，船用隔振结构设计理论已经较为成熟，但工程中各类隔振结构的设计和优化仍以分析计算为主，模拟实验研究相对较少[3,7-10]。而分析计算在模型、边界条件、计算参数等各方面均存在精度问题[11]，所得结果准确度无法保证。本文提出一种船用隔振结构的振动响应模拟试验系统设计方案，首次使用电动振动台模拟船用设备，利用反作用力原理模拟船用设备的振源激励，能在实验室内实现对隔振结构的模拟及其隔振效果的评估与研究，完善相关理论研究，为工程中的隔振设计与制造优化提供有力支撑。

1 船用隔振结构

船用隔振结构设计主要可分为3种：单层隔振、双层隔振以及浮筏隔振技术[4,5,12]。

单层隔振示意图如图1所示。设备通过隔振器与船体连接，当激励频率较大时，隔振效果较好，因而在船舶上其被普遍采用。

图1 单层隔振示意图

双层隔振示意图如图2所示。设备通过隔振器与一层台板连接，台板再通过减振器与船体连接，形成双层隔振。双层隔振效果一般比单层隔振效果好，但台板质量要求较大，且在激励频率小于二次谐振频率时，隔振系统的传递率将变为放大状态，不但起不到隔振效果，还会产生反作用。

图2 双层隔振示意图

浮筏隔振示意图如图3所示。浮筏隔振可看成是多级双层隔振装置。多台设备通过隔振器或直接刚性连接在台板即筏体上，筏体再通过减振器与船体连接。浮筏隔振装置能利用浮筏和其他设备的质量效应减少隔振装置的总质量，但浮筏结构尺寸较大，会引入弹性变形等影响，从而增加分析和设计复杂程度。

图3 浮筏隔振示意图

针对以上隔振结构，常见的隔振评价指标主要有3种：振级落差、插入损失和力传递率。振级落差是被隔离体的振动响应与对应基础的振动响应有效值之比；插入损失是采取隔振措施前后基础响应的有效值之比；力传递率是被隔振体的动态力输出与对应基础收到的动态力激励之比。3个指标单位均为dB。以上3个评价指标有一定的对应关系和适用范围，对于不同质量的基础应采用不同的指标进行评价[13-14]。

2 试验系统设计

2.1 整体设计与要求

如在实验室进行减、隔振结构的振动响应模拟并评估其隔振效果，应具备三大功能模块：一是各类型减、隔振结构装置的模拟；二是各类型设备机械振动激励的模拟；三是系统关键物理量的采集与隔振效果分析。

各类型减、隔振结构的复杂程度和尺寸均不相同，为保证试验系统的通用性，隔振结构平台采用自由拼接台板和不同规格隔振器实现，通过台板和隔振器不同的组合方式实现对单层隔振装置、双层隔振装置和浮筏隔振装置的模拟。

各类型船用设备(振源)的质量、振动频率等特性不同，传统的偏心电机模拟方式频率范围较窄，存在较大局限性。本设计方案巧妙利用反作用力原理，使用电动振动台作为模拟振源发生器，具有激励范围广、调节方便等特点。同时，配合MIMO振动控制仪的使用，可实现各类型复杂工况以及其他组合工况的模拟。

隔振系统的评估需要获得系统的振级落差、插入损失、力传递率、传递函数、阻尼、频响等性能参数。本试验系统设计有关键物理量的采集与分析功能，通过数据采集分析系统实现。该系统由传感器组、数据采集仪、数据分析软件组成，能监测试验系统加速度、位移、力等信号。

2.2 模拟台板设计

模拟台板设计为两层，每层均由2块～3块可自由拼装的分体模块组合。振源与台板之间、两层台板之间、台板和试验系统地基的T型槽台板之间均可连接任意数量和规格的隔振器，以实现对单层隔振装置、双层隔振装置和浮筏隔振装置的模拟。台板采用板梁蜂窝结构(见图4)，可在保证结构强度与刚度的同时有效降低质量，同时在结构中可通过质量块的形式灵活调整台板的总质量和质量分布，增加适用范围。

图4 台板示意图

上层台板最大拼装尺寸为3.45 m×3.45 m×0.30 m，台板主体为碳钢型材，翼板厚12 mm，腹板厚8 mm，质量约为2.45 t，带网格状安装螺孔。一阶模态频率为44.8 Hz，当上表面承受30 t重物时，最大应变≤0.18 mm，最大应力≤32 MPa，安全因子为7.3。

下层台板最大拼装尺寸为4.20 m×4.20 m×0.35 m，台板主体为碳钢型材，翼板厚14 mm，腹板厚8 mm，质量约为4.13 t，带网格状安装螺孔。一阶模态频率为36.3 Hz，当上表面承受40 t重物时，最大应变≤0.2 mm，最大应力≤33 MPa，安全因子为7.1。图5为台板位移与应力云图。

图5 台板位移与应力云图

考虑将下层台板作为船体模拟海洋环境时，下层台板下方若使用刚度较小的隔振器，台板会产生较大的位移，因此设置有水平和垂直限位装置。

垂直限位装置采用在下层台板下方安装气囊台板的方式，在台板静止状态时，该气囊放置于台板下方，但不与台板接触，留有一定高度空间h。当台板在工作状态垂向向下的位移超过h时，下限位气囊与台板接触，防止台板位移过大而产生危险。水平限位装置采用下层台板四周气囊连接限位桁架的方式，限制其水平移动范围。垂直限位和水平限位装置如图6所示。

2.3 模拟振源设计

设备机械振动一般来源于电机、内燃机、带压管路和其他运动机构所产生的振动，因设备的复杂性不同而不同，且多台设备之间会相互影响。传统模拟方式为偏心电机，特点是安装灵活、使用方便，但模拟工况比较单一，且模拟振动频率范围小，只能达到100Hz左右。

本方案设计首次使用电动振动台模拟船用设备，利用反作用力原理模拟船用设备的振源激励，充分发挥电动振动台激励范围广、灵活度高的特点，可模拟正弦、随机、冲击以及正弦叠加随机、随机叠加随机等工况，模拟频率范围可达2～2 700Hz。配合MIMO振动控制仪，还可实现各类型复杂工况以及其他组合工况。

垂直激振时，在振动台动圈加装配重，以增加振源运动部件质量。通过调节运动部件质量和激振加速度来调节振源惯性力大小，根据作用力与反作用力原理，即可实现振源对台板的激振力调节。水平激振时，因振动台动圈抗倾覆力矩有限，配重不可直接安装。本方案设计有滑动质量块，质量块下有平台承担其重力，以消除对振动台动圈的倾覆力矩。

此外，电动振动台还配置有翻转机构和反作用力监测传感器，激振力方向在0°～90°范围无级可调，并可实时监测激振力曲线。模拟振源结构如图7所示。

图7 模拟振源结构示意图

2.4 数据采集分析系统设计

目前，数据采集系统已有成熟的商业硬件和软件提供，选用合适的传感器和采集卡即可获得加速度、位移等物理量的采集。本方案设计使用符合最新PXI规范的NI机箱、控制器和采集模块，配合加速度传感器、激光位移传感器、力传感器等来获取试验系统的各物理参数。物理参数主要包括模拟设备传至台板的动态力、各台板的位移和加速度响应、地基的位移和加速度响应、台板之间的动态力、被测试隔振器的受力等。获得以上参数后，通过自行开发分析软件，计算得到试验系统的振级落差、插入损失、力传递率、传递函数、阻尼、频响等性能参数。

2.5 隔振地基设计

为了更加精确地获得减、隔振结构模型的隔振参数，同时减少试验系统与外界环境的相互影响，试验系统地基采用弹簧阻尼隔振地基。隔振地基主体由钢筋混凝土结构组成，地基主体下方设有安全块，方便安装的同时能有效避免整体坍塌风险。地基主体通过弹簧阻尼器与承力墙连接，地基主体上方装有铸铁台板，台板带有T型槽，方便拆装模拟试验装置。图8为地基示意图。

图8 地基示意图

地基有效使用面积为8m×8m，设计质量350t，有效载重50t。通过调整弹簧阻尼器的阻尼，可实现扰动频率在20～3 000Hz时，隔振效果达到27dB以上。

3 试验系统优点

3.1 室内大型试验系统

本试验系统地基有效使用面积为8m×8m，设计载重50t。单层模拟台板有效尺寸为4.2m×4.2m，设计载重40t。双层模拟台板有效尺寸为3.45m×3.45m，设计载重30t。可在室内模拟较大型设备减隔振平台。

3.2 模拟台板灵活多变

(1) 模拟台板采用分体式设计，可根据各类研究项目或工程需要自由选择不同尺寸组合使用模拟。通过单层、双层以及多层组合，可模拟单层隔振、双层隔振以及复杂多变的浮筏隔振结构。

(2) 台板的拼接方式采用腹板螺接和翼板加强，保证台板连接强度的同时，还能保证其弯曲刚度，使分体式组合台板的力学性能与一体式台板基本相当。

(3) 台板侧方和下方设有空气弹簧限位装置，可防止台板位移过多出现危险，同时下方空气弹簧还可以用于模拟船舶海洋环境。

(4) 台板为蜂窝结构，可在中空部位灵活增加配重，以模拟实际台板质量分布。

3.3 通用产品接口

地基上表面设计有T型槽，模拟台板上、下表面设计有通用腰型连接口，可安装各类型减振器基座，通用性强。

3.4 振源激励功能强

首次使用电动振动台模拟船用设备，利用反作用力原理模拟船用设备的振源激励，激励方式多样，激励力和频率范围广。电动振动台还配置有翻转机构和反作用力监测传感器，激振力方向在0°～90°范围无级可调，并可实时监测激振力曲线。多台振动台组合还可实现不同方向同时激励。

3.5 分析系统功能强

在已有的采集模块功能基础上进行二次开发，增加冲击响应谱分析、基于雨流计数的疲劳分析、隔振效果分析等功能模块，可快速获得隔振系统的关键评价参数。

3.6 性能指标

本试验系统的主要设计指标如下：

(1) 减隔振结构模拟类型：单层隔振、双层隔振、浮筏隔振。

(2) 模拟台板有效尺寸：单层4.2m×4.2m，双层3.45m×3.45m。

(3) 台板最大承载质量：30t。

(4) 台板配重：100～6 000kg。

(5) 动态激励力大小：0～200kN。

(6) 激励频率：2～2 700Hz。

(7) 激励方向：任意方向。

从图3可知沙县竹炭板鸭在PC1上得分较高，白市驿板鸭在PC2上得分较高，南安板鸭在PC1和PC2上的得分均较高，原因可能是特征性风味物质种类多且含量较高。南京板鸭、扬州板鸭与雷官板鸭相隔较近，说明其相关性较大。从图3(b)中可以看出，己醛、壬醛与醛类距离很近，表明他们之间相关性很大，即己醛、壬醛可以反映大部分醛类在香气方面的贡献。脂质氧化产生的壬醛、己醛通常能在干腌肉质品中检测到，并且具有花香，青香和果香，有助于整体香味的形成。图3(b)和图4显示F1（己醛）、F2（壬醛）、F4（(Z)-2-庚烯醛）和F9（1-辛烯-3-醇）相关性很大，说明在板鸭中含量较高。

(8) 激励类型：正弦、随机、冲击、长时波形复现、正弦+正弦、正弦+随机、随机+随机、正弦+随机+随机。

(9) 评价指标：振级落差、插入损失、力传递率、传递函数、阻尼、频响等。

(10) 功能拓展：冲击响应谱分析、疲劳分析。

4 结论

为了在实验室内实现对不同船用隔振结构的隔振效果进行评估与研究，提出了一种大型隔振结构的振动响应模拟试验系统设计方案，能在实验室内模拟单层、双层以及浮筏类隔振结构，并能获得隔振系统的振级落差、插入损失和力传递率等指标，可以综合评估系统隔振效果。本设计方案首次使用电动振动台模拟船用设备，巧妙利用反作用力原理模拟船用设备的振源激励，充分发挥了电动振动台的优势；同时针对船用隔振结构进行了采集与分析系统的二次开发，使整个试验系统具有了更好的模拟能力和分析评估能力。

本文试验系统设计是航天试验技术在船舶领域的应用，使得在实验室完成大型隔振结构的试验研究成为可能，具有一定的研究与工程实用意义。同时，笔者希望通过对此类试验技术进行研究，能够逐步改善船用隔振结构的研究计算分析多而模拟实验少的现状。

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Laboratorial Vibration Response Test System Design of Vibration Isolation Structure

LIU Hao1,2， WANG Chaojie1,2， YANG Feng1,2， ZHANG Cui2

(1.Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China;2.Tianjin Aerospace Reliability Technology Co., Ltd., Wuhan 430056, Hubei, China)

In order to evaluate the vibration isolation effect of different marine vibration isolation systems in the laboratory, a laboratorial vibration response test system design is developed which can evaluate the vibration isolation effect of the vibration isolation structure. With this system, researchers can actually validate theoretical research and design through the experimental ways which can improve the relevant theoretical research and provide reference for vibration isolation design and manufacture optimization.

marine structure; vibration isolation effect; test system; design

刘 浩(1987-)，男，工程师，研究方向为环境与可靠性试验技术。

1000-3878(2017)01-0012-06

U662

A