尾轴承橡胶硬度对螺旋桨横向激振力引起艇体结构振动与声辐射特性的影响

刘文玺，周其斗

(海军工程大学 舰船工程系， 武汉 430033)



尾轴承橡胶硬度对螺旋桨横向激振力引起艇体结构振动与声辐射特性的影响

刘文玺，周其斗

(海军工程大学 舰船工程系， 武汉 430033)

从振源振动传递路径的声学设计的角度出发，以改变靠近螺旋桨后尾轴承橡胶夹层的橡胶硬度为具体措施，采用结构有限元法、结构有限元耦合流体边界元方法，以辐射声功率、湿表面均方法向速度作为衡量结构噪声辐射能力的主要衡量指标，系统地研究潜艇结构振动、辐射噪声谱峰频率和峰值的变化规律。计算结果表明：在低频段，随着后尾轴承橡胶硬度的增大，谱峰频率明显向高频移动，第一、二峰值都呈增大趋势；与传统的船用后尾轴承相比，采用带橡胶夹层的后尾轴承，在一定的频带范围内，能够有效地降低潜艇结构的振动和辐射噪声。因此，改变后尾轴承橡胶硬度，可以使谱峰频率向高频或低频移动，这样就能够使设备激振力的谱峰频率与结构振动及辐射噪声的谱峰频率错开，实现对辐射噪声的控制，达到减振降噪的目的。

尾轴承；橡胶硬度；振动；辐射噪声；谱峰频率；传递路径

研究尾轴承橡胶硬度对螺旋桨横向激振力引起艇体结构振动与声辐射特性的影响，对潜艇减振降噪具有重要意义，迄今为止，很多学者在这方面的研究取得了一定成果。

刘正林[1]针对船舶尾轴承的减振降噪，进行橡胶材料硬度对艉轴系振动影响的试验研究，结果表明：中低速下硬度偏低的振动较大，速度较高时，橡胶硬度越高，振动幅值增加的速度越缓慢。金勇[2]研究了水润滑橡胶尾轴承的动态特性。橡胶具有优良的减振性能，可以有效地减小艉轴振动，降低轴承噪声辐射。祁亮[3]分析了船舶轴系中间轴承作用特点，针对中间轴承不同布置、不同支承刚度以及取消中间轴承的回旋振动进行计算分析，结果表明，中间轴承纵向布置影响系统的固有频率，中间轴承支承刚度对系统固有特性影响较小。朱军超[4]研究了尾轴承有效接触长度变化对轴系振动固有频率的影响，结果表明：随着尾轴承的有效接触长度的降低，轴系振动的固有频率也随之降低，其中以后尾轴承对轴系低阶振动固有频率影响较为突出。王滨[5]对船舶轴系进行了三维几何建模，对不同位置、不同刚度的轴承的轴系固有振动特性进行了分析，计算结果表明，不同位置轴承刚度的变化对船舶轴系固有振动特性的影响有很大的不同。陈明[6]采用4种不同硬度的橡胶轴承，在轴系试验台上进行了振动测试，研究了硬度对轴系振动的抑制效果，但没有分析其机理及适用范围。黄莉[7]利用有限元仿真方法、试验方法研究了阻尼层对轴承模态频率和模态振型的影响，与非阻尼轴承相比，阻尼轴承低阶固有频率较低，在低阶固有频率附近存在一定的能量集中，但在正常工作转速(0～200 Hz)工况下，不会发生共振，阻尼层能够降低轴承的振动，特别是在高转速、高载荷的工况下减振效果显著。

上述研究主要集中在轴承对轴系振动特性的影响规律，随着研究的深入发现：要控制螺旋桨、轴系、艇体结构这个耦合系统的耦合振动问题，不仅要控制轴系振动，更要控制螺旋桨、轴系、艇体结构的耦合振动以达到控制艇体振动的目的。在螺旋桨纵向激振力得到一定控制后，横向激振力激起的艇体振动和辐射噪声又凸显出来，需要采取措施进行控制。

螺旋桨横向激振力通过轴经过轴承作用到艇体结构，传统的船用尾轴承的径向支撑刚度较大，不具有隔振和降低船舶辐射噪声的功能，而后尾轴承的支撑刚度对潜艇整艇结构的振动和辐射噪声具有重要的影响，若要使潜艇具有较低的辐射噪声，必须改善后尾轴承的支撑刚度。

基于上述分析，从以下方面开展研究：① 研究桨、轴、艇体耦合系统的振动和辐射噪声；② 降低螺旋桨横向激振力向艇体结构的传递。在传统后尾轴承的基础上，设置两层衬套，在两层衬套之间设计橡胶隔振阻尼层，降低后尾轴承的支撑刚度，使船用后尾轴承具有隔振的功能。

通过改变橡胶的硬度，改变潜艇结构振动和辐射噪声的谱峰频率，降低峰值，也就改变艇体结构的声学特性。使设备激振力的谱峰频率与结构振动和辐射噪声的谱峰频率错开，实现对潜艇辐射噪声的控制[8]。

1 螺旋桨横向激振力传递路径

螺旋桨横向激振力的传递路径如图1中的箭头所示，横向激振力自螺旋桨开始，通过轴到达后尾轴承、前尾轴承、推力轴承，再由后尾轴承传递到非耐压结构及整艇，由前尾轴承传递到耐压结构及整艇，由推力轴承传递到基座结构、耐压艇体结构、非耐压体结构及整艇，从而激起整艇结构的振动，总之，螺旋桨横向激振力经轴并通过轴承作用到艇体，所以，控制螺旋桨横向激振力激起的艇体振动，就是要控制由轴经轴承传递到艇体结构的横向激振力。

本文不研究如何控制螺旋桨产生的横向激振力从而控制作用到艇体的横向激振力，而是假设螺旋桨产生的横向激振力不变，以结构有限元、结构有限元耦合流体边界元的数值计算方法为基础，通过后尾轴承的结构声学设计，控制传递到艇体上的横向激振力。

图1 螺旋桨横向激振力传递路径

2 基本方程

2.1 计算模型

以单壳体SUBOFF型[9]潜艇模型为研究对象，主要结构参数如表1，板厚分布如图2所示，其中耐压壳板厚除舱壁附近是6 mm以外，其余都是4 mm。

采用PATRAN有限元软件对SUBOFF潜艇模型进行有限元建模，其中螺旋桨、轴承采用实体单元，其他结构主要采用面单元和梁单元，沿艇体纵向，一个肋骨间距保证至少两排单元。

表1 SUBOFF潜艇模型的结构参数

图2～图5为SUBOFF潜艇的结构有限元模型，其中图2为 SUBOFF 潜艇整艇结构有限元模型，潜艇结构是轴对称结构，为了能清楚地表示内部板厚，这里只画出整个模型的一半，图3为内部结构有限元模型，图4为艉部轴系系统有限元模型，图5为螺旋桨结构有限元模型，本文只研究艇体在螺旋桨横向激振力作用下的声学特性，激振力如图4所示。

图2 SUBOFF整艇结构有限元模型

图3 SUBOFF内部结构有限元模型

图4 艉部轴系系统结构有限元模型

图5 螺旋桨结构有限元模型

2.2 结构-流体耦合方程

水下结构振动与辐射噪声问题是一个流体—结构相互作用的流固耦合问题。考虑如图6所示的结构-流体相互作用的系统：S0表示弹性薄壳结构，Ωo表示流体外域，流体外域充满密度为ρo的声介质，其声速为co，若系统进入稳态，角频率为ω，则波数ko=ω2/co[8]，对结构域采用有限元离散，对外域流体采用边界元法以获得附加质量和阻尼系数，将附加质量和附加阻尼叠加到结构有限元质量矩阵和阻尼矩阵上，建立考虑流体耦合作用的有限元结构动力响应方程如下式

(1)

2.3 噪声辐射能力衡量指标

为了衡量潜艇结构的噪声辐射能力，采用辐射声功率，湿表面均方法向速度2个指标作为主要衡量指标[14]。

辐射声功率是声源机械效率中的有效部分，壳体表面的辐射声功率大小反映了壳体表面辐射声波的本领高低；壳体表面的均方法向速度反映了壳体在流场中的结构响应，同时也表征了声源振动的平均速度[8]。它们分别定义如下：

辐射声功率为

(2)

均方法向速度为

(3)

相应地可以定义声功率级、均方法向速度级

式中：Wref=10-12(W)；Vref=5×10-8(m/s)。

图6 流体-结构相互作用系统

3 后尾轴承结构改进及影响

3.1 后尾轴承结构改进

如图7所示，传统的船用后尾轴承是一种普通的筒状滑动轴承，艉轴穿过滑动轴承，滑动轴承固连在船体结构上，与船体结构一起对艉轴支撑，这种滑动轴承的径向支撑刚度较大，螺旋桨激振力通过艉轴和滑动轴承可以直接作用在船体并激起结构的振动，这种传统的船用尾轴承不具有隔振和降低船舶辐射噪声的功能，但是，后尾轴承的支撑刚度对潜艇整艇结构的振动与辐射噪声具有重要的影响，若要使潜艇具有较低的辐射噪声，必须改善尾轴承的支撑刚度。

从结构振动传递路径的声学设计的角度出发，借鉴机械设备安装合适的隔振器以减弱对艇体结构的激振力，在传统船用后尾轴承，设计两层衬套，如图8所示，在两层衬套之间设计一层以橡胶为材料的隔振阻尼层，通过优化橡胶层的硬度，降低后尾轴承的支撑刚度，使船用后尾轴承具有隔振功能。

根据图7～图8所示的结构形式，采用有限元软件PATRAN对艉轴及后轴承结构进行三维有限元建模，结果如图9所示，其中图9(a)是艉轴及后尾轴承结构，图9(b)是后艉轴结构。

图7 传统的船用尾轴承

图8 带有橡胶夹层的船用尾轴承

图9 艉轴及后轴承结构有限元模型

3.2 后尾轴承橡胶硬度对潜艇结构固有频率的影响

为研究方便，将图4所示的螺旋桨、后尾轴承及两者附近的轴段组成的系统称作轴系系统。

橡胶为丁腈橡胶[10]，橡胶的邵氏硬度值如表2所示，且H1

表2 后尾轴承橡胶硬度

由表3可知，整艇弯曲振动一阶固有频率随后尾轴承橡胶硬度增大而增大。

表3 整艇弯曲振动一阶固有频率与后尾轴承橡胶硬度之间的关系

4 潜艇结构水中振动和辐射噪声特性分析

后尾轴承橡胶硬度由低到高取如表2所示不同值，分别计算潜艇结构在螺旋桨横向力作用下振动响应，研究潜艇结构辐射声功率，湿表面均方法向速度的谱峰频率、峰值变化规律，并且考察振动与辐射噪声之间的关系，以期为低辐射噪声结构的设计提供理论指导。

潜艇结构模型如图2所示，在螺旋桨重心施加1 N横向脉动激振力，如图4所示，采用结构有限元耦合流体边界元法对潜艇结构在水中的振动响应进行计算，计算的频率范围是10～800 Hz，频率间隔是1 Hz。

4.1 结构湿表面均方法向速度变化规律

在低频段，后尾轴承橡胶硬度不同时，整艇湿表面均方法向速度的频率曲线如图10所示，第一、二个谱峰频率和峰值如表4所示。

表4 潜艇结构水中振动响应谱峰频率和峰值

图10 整艇水中湿表面的均方法向速度

根据表4和图10可以看出，谱峰频率、峰值变化有3个特点：

1) 谱峰频率方面，第一、二个谱峰频率均随后尾轴承橡胶硬度增大而增大，且增大的速度变慢，当硬度增大到一定值时，趋于不变。

由第一个特点可见，改变后尾轴承橡胶硬度能够改变振动响应谱峰频率。

2) 峰值方面，随后尾轴承橡胶硬度增大，总体上看，第一、二峰值均呈增大的趋势；在经过第一个谱峰附近的窄频带之后，几乎在整个计算频段内，后尾轴承橡胶硬度越小，振动响应越小，减振效果明显。

3) 与传统的船用后尾轴承(H7对应的轴承)相比，采用带橡胶夹层的后尾轴承能够有效地降低潜艇结构水中的振动。

由第二、三个特点可见，减小后尾轴承橡胶硬度能够减小结构水中振动。

4.2 水中结构辐射声功率变化规律

在低频段，后尾轴承橡胶硬度不同时，整艇湿表面的辐射声功率的频率曲线如图11所示，第一、二个谱峰频率和峰值如表5所示。

表5 潜艇结构水中辐射声功率谱峰频率和峰值

图11 整艇结构水中辐射声功率

根据表5和图11，可以看出谱峰频率、峰值变化有3个特点：

1) 谱峰频率方面，第一、二个谱峰频率均随后尾轴承橡胶硬度增大而增大，且增大的速度变慢，当硬度增大到一定值时，趋于不变；

由第一个特点可见，改变后尾轴承橡胶硬度能够改变辐射噪声谱峰频率。

2) 峰值方面，随后尾轴承橡胶硬度增大，总体上看，第一、二峰值呈增大趋势，硬度增大到一定值后趋于不变；在经过第一个谱峰附近的窄频带之后，几乎在整个计算频段内，后尾轴承橡胶硬度越小，辐射声功率越小，降噪效果明显。

3) 与传统的船用后尾轴承(H7对应的轴承)相比，采用带橡胶夹层的后尾轴承能够有效地降低潜艇结构水中的辐射声功率。

由第二、三个特点可见，减小后尾轴承橡胶硬度能够降噪。

由表4～表5可见，在振动响应出现峰值的频率点或频率点附近，结构辐射声功率出现峰值，也就是说，当结构振动大时，辐射噪声强，这一结论与文献[8]的结论是类似的。

5 结论

与传统的船用后尾轴承相比，采用带橡胶夹层的后尾轴承，改变了艇体结构的振动传递路径的声学特性，以小比例潜艇模型为研究对象，后尾轴承橡胶硬度取不同值，分别计算了艇体结构振动和辐射噪声。根据计算结果，得到以下结论：

1) 与传统的船用后尾轴承相比，采用带橡胶夹层的后尾轴承能够有效降低潜艇结构振动和辐射噪声；

2) 通过改变后尾轴承橡胶硬度，能够改变结构振动、辐射噪声的谱峰频率和峰值，当橡胶硬度增大到一定程度，振动和辐射噪声的谱峰频率和峰值趋于不变；

3) 在水中，当结构的振动水平较高时，结构辐射噪声的能力较强；

4) 采用带橡胶夹层的后尾轴承同样能达到控制潜艇结构声学特性的目的，但不需要在轴系上另加设备，而且适用于各种轴系，更具普适性；

5) 在设计的时候，要综合考虑减振降噪、轴系校中等要求，选择合适的后尾轴承橡胶硬度，达到设计目的。

[1] 金勇,刘正林.水润滑橡胶尾轴承动态性能的试验与分析[J].噪声与振动控制,2011(2):64-68.

[2] 金勇，田宇忠，刘正林.水润滑橡胶尾轴承模态影响因素分析[J].润滑与密刻,2011,36(9):10-13.

[3] 祁亮,周瑞平,崔金环.中间轴承对船舶轴系回旋振动特性的影响[J].造船技术,2011(4):35-38.

[4] 朱军超,朱汉华,严新平,等.艉轴轴承有效接触长度对轴系振动的影响[J].润滑与密封,2012,37(2):25-28.

[5] 王滨.轴承刚度对船舶轴系振动特性的影响研究[J].齐齐哈尔大学学报,2009,25(6):55-60.

[6] 陈明.橡胶轴承材料硬度对轴系振动影响的试验研究[J].武汉造船,2000(3):8-10.

[7] 黄莉,金勇.阻尼层对水润滑橡胶轴承动态性能的影响[J].噪声与振动控制,2016,36(4):32-37.

[8] 刘文玺,周其斗.不等间距分舱结构声辐射特性研究[J].船舶力学,2016,20(8):1045-1058.

[9] Nancy C G,Hthomas T H,Ming S C.Geometrics characteristics of DARPA SUBOFF models[R].Bethesda:David Taylor Research Center,1989.

[10]GENT A N.Engineering with Rubber[M].Beijing:Chemical Industry Press,2002:20-143.

[11]魏英魁,张晓颖,胡彦平.大尺寸结构振动试验系统浅析[J].装备环境工程,2016,13(5):92-97 .

(责任编辑 周江川)

Effect of the Rubber Material Hardness of Stern Bearing on Vibration and Sound Radiation Induced by Propeller Transversal Exciting Force from Submarine

LIU Wenxi, ZHOU Qidou

(Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

From the angle of controlling transfer path of exciting force, adopting the method of modifying the rubber material hardness of stern bearing near the propeller, the structural finite element method and the structural finite element coupled fluid boundary element method are adopted for the numerical calculation. The acoustic radiation power and mean square normal velocities of the wet surface are adopted as the main indexes to estimate the acoustic radiation ability from the subroutine structures, and the characteristics of the vibration and acoustic radiation from the whole structure are studied systemically. From the result, in the lower frequency band, the peak value frequencies shift to higher frequency with the increasing of the rubber material hardness of stern bearing, and when the rubber material hardness of stern bearing increases to a certain value, the peak value frequencies tends to be stable, and basically unchanged. With the increasing of the rubber material hardness of stern bearing, the first peak value and the second peak value increase. When the rubber material hardness of the stern bearing increases to a certain value, the peak value frequencies tends to be stable, and basically unchanged. And compare with the traditional stern bearing, the stern bearing using the rubber for sandwich can decreases the vibration and noise effectively. And if the rubber material hardness of the stern bearing is smaller, in the whole frequency band, except the narrowband near the first peak value frequency, the level of vibration and noise decreases obviously. By modifying the rubber material hardness of the stern bearing, the peak value frequencies shift to higher frequency or lower frequency, and so that the spectral peak frequencies of the exciting force of the machines and the spectral peak frequencies of the vibration and noise are separated. And as a result, the noise and vibration are controlled. By decreasing the rubber material hardness of the stern bearing, in some frequency band, the vibration and noise of the submarine is reduced.

stern bearing; rubber material hardness; vibration; acoustic radiation; spectral peak frequency; transfer path of vibration

10.11809/scbgxb2017.07.006

2017-03-25；

2017-04-10

刘文玺(1977—)，男，博士后，主要从事振动与噪声控制研究。

format:LIU Wenxi, ZHOU Qidou.Effect of the Rubber Material Hardness of Stern Bearing on Vibration and Sound Radiation Induced by Propeller Transversal Exciting Force from Submarine[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):25-30.

U664.21；E925.6

A

2096-2304(2017)07-0025-06

本文引用格式：刘文玺，周其斗.尾轴承橡胶硬度对螺旋桨横向激振力引起艇体结构振动与声辐射特性的影响[J].兵器装备工程学报，2017(7):25-30.