舰船舱筏和上层建筑隔振系统实验研究

方媛媛， 茅凯杰， 夏兆旺， 刘周益

(1.江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013；2.江苏科技大学 能源与动力工程学院 ,江苏 镇江 212003)

舰船舱筏和上层建筑隔振系统实验研究

方媛媛1,2， 茅凯杰2， 夏兆旺2， 刘周益2

(1.江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013；2.江苏科技大学 能源与动力工程学院 ,江苏 镇江 212003)

针对舰船舱筏和上层建筑隔振系统进行了仿真分析和实验研究，分别研究了实验模型的固有特性和隔振系统振动传递率特性。结果表明：舱筏隔振系统和上层建筑整体隔振系统的一阶固有频率实验和仿真结果误差分别为1.2%和2.2%；舱筏隔振系统的振级落差实验测试结果比仿真结果低2～5 dB，上层建筑整体隔振系统的振级落差实验测试结果比仿真结果高3～5 dB，但仿真结果和实验结果的趋势都基本一致。

舰船; 舱筏; 上层建筑; 隔振

0 引 言

舰船的隐身性能是舰船生命力的一个重要指标[1]。舰船在中低速航行时，振动噪声主要是舰船机械设备运转而产生的[2-3]。结构振动与噪声通过支撑基座、管路系统及空气传向舰体及其上层建筑[4-5]，其中结构振动与噪声主要通过支撑基座传输[6-7]。传统的隔振能在一定程度上降低振动的传递，但是已经不能满足现代海战的要求；舰船的抗冲击性能是舰船生命力的另一个重要指标[8-11]。舰艇及其机电设备都要求具备一定的抗冲击性能，以抵御各种武器接触爆炸和非接触爆炸产生的冲击载荷[12]。舱筏隔振系统既能有效的降低振动噪声的传递，又能提高舰船的抗冲击性能，目前如何设计出隔振性能更加优良的舱筏隔振系统越来越受到关注[13-16]。

本文以某型舰船为研究对象，对影响舰船生命力的隐身性能与抗冲击性能开展研究。首先，对舰船按比例缩小和简化的实验模型进行机舱舱筏整体隔振和上层建筑整体隔振设计，并通过实验测量得到隔振系统的振动传递特性。其次，根据实验模型建立其有限元模型，对其进行模态分析和动态响应分析，计算其振动传递特性。最后，比较舰船隔振系统振动传递特性的实验结果与仿真结果，验证有限元法参数设置和简化方法的可行性。

1 舰船舱筏和上层建筑隔振系统实验

实验中采用正弦扫描信号，它要求信号发生器在数秒内扫过整个测试所需要的频段，以便获得具有平谱的激励力，从而达到宽频带激励。这种方法能获得的平谱，在整个测试频段内，激励能量相同，因而可以提高频响函数的测量精度。

1.1实验系统

实验模型采用某舰船实际模型按1∶30缩小后的简化模型，舰船模型制作时尽量模拟了实船，并按照相似性原理进行设计，使在模型上的实验结果可以转换到实船。模型制作遵循材料在弹性范围内没有明显的蠕变；材料各向同性，机械性能好；材料满足虎克定律；便于各类传感器的安装；加工工艺好等原则，采用钢质材料，总质量为200 kg左右。

实验模型测试系统包含激励系统、传感器系统、放大系统、信号分析系统。激励系统主要包括信号源、功率放大器和激振器。信号源提供的信号较弱；功率放大器能将激励信号放大，从而推动激振器。传感系统主要包括传感器、电荷放大器等。信号分析系统是将经电荷放大器增强的传感器信号进行测量、分析与存储，如图1所示。

图1 系统实验装置示意图

1.2实验装置

实验中对频率响应函数进行测量时，一般使用随机激励方法。因本实验模型比较大，用锤击方法能量耗散很快，而采用宽频带的快速正弦扫描激励，此方法能不断地供给，而且在某些个特定频率上还可输入更大的能量，信噪比较高，可以保证在低频响应时的测试精度。主要试验仪器及设备有CF-5220多功能信号分析仪、激振器、功率放大器、加速度传感器、电荷放大器和阻抗头。

实验所用的激励工具是BK4808电磁激振器，由其产生的激励力通过柔性激振杆作用于舰船底甲板上,见图2。激励信号是由CF-5220多功能信号分析仪内部的信号发生器产生，并由功率放大器放大后输入电磁激振器。振动信号由力传感器和加速度传感器检测，通过电荷放大器放大后，输入CF-5220信号分析仪。从信号分析仪得到的船模型任意两点间的振动传递特性。整个测试系统的实物图如图3所示。

图2 激振器激励位置

图3 实验测试系统

2 实验系统有限元分析

利用ANSYS建立实验模型的有限元计算模型，其中包括舱筏隔振系统和上层建筑隔振系统。在建模过程中，主要考虑模型参数的设计以及模型的简化。小电动机采用六面体体元对其建模，其单元类型均为Solid45；筏架与船体基座采用四边形壳体单元进行建模，其单元类型为Shell63；弹性隔振器选择Combine14弹性阻尼单元，必须建立3个重叠的单元模拟3个方向的弹簧刚度。舱筏隔振系统各部份材料的弹性模量和泊松比分别为206 GPa和0.3，浮筏与船体基座材料密度为7 800 kg/m3，同时柴油发电机组通过相同型号的4个弹性隔振器对称安装在筏体上，中间筏体再通过4个弹性隔振器对称安装在试验船模船体基座上。弹性隔振器的参数如表1所示。

表1 弹性隔振器参数 N/mm

实验上层建筑隔振设计中考虑到获得较大的横向刚度保证其稳定性，采用橡胶隔振器，设计时以静刚度为准。上层建筑隔振器的布置，如图4所示，总共12个隔振器安装在上层建筑底座对称分布，隔振器的参数分别为:隔振器的尺寸20 mm×30 mm×15 mm,弹性模量39.6 MPa,密度1 003 kg/m3。

图4 上层建筑隔振器的布置图

建立实验模型的全船有限元模型如图5所示,包括8 958个单元和8 143个节点。

图5 实验模型的全船有限元模型

为了更好地了解实验模型的动力学特性，利用有限元软件ANSYS的Lanczos算法，对上述有限元模型进行振动模态分析，如图6所示。

(a) 船体上层建筑绕x轴摇摆(8.45 Hz)

(b) 船体上层建筑垂向振动(9.45 Hz)

(c) 船体一垂弯(173.334 Hz)

(d) 船体一扭(210.46 Hz)

(e) 船体一侧弯(269.3 Hz)

(f) 船体二弯曲(478.5 Hz)

图6 实验船模的典型模态

振动模态主要体现为水平面和垂直面的弯曲模态以及扭转模态。船体上层建筑绕x轴摇摆的一阶模态的频率为8.45 Hz，垂向振动模态频率为9.45 Hz。船体一垂弯模态频率为173.334 Hz，船体一扭模态频率为210.46 Hz，船体一侧弯模态频率为269.3 Hz。随着频率的上升,出现船体的二弯、二扭、三弯等典型振型。

3 实验结果与仿真结果分析

利用有限元软件ANSYS对实验舰船模型进行动力学特性分析，得出有限元法实验模型的振动传递率特性。其结果与实验测量得到的舰船传递率特性进行对比，验证有限元法分析的模型参数设置和简化方法的可行性。图7为两种方法的机舱舱筏隔振主机的振动传递率特性对比：实验测量所得的系统第1阶固有频率94 Hz和有限元仿真计算所得的95 Hz相近，误差为1.2%。实验测量所得的振级落差比模拟计算所得的振级落差平均要低2～5 dB。但仿真计算所得的振级落差和实验测量所得的趋势基本一致。

图7 实验舰船模型舱筏隔振系统振动传递特性

两种方法得到的上层建筑整体隔振系统振动传递率特性如图8所示。实验测量所得的系统第1阶固有频率45 Hz与有限元仿真计算所得的46 Hz相近，误差为2.2%。实验测量所得的上层建筑隔振系统的振级落差比仿真计算所得的振级落差平均要高3～5 dB。但与舱筏隔振系统相似，仿真计算的振级落差和实验所得的趋势基本一致。其中的误差包括实验测量时产生的实验误差，和在仿真计算时，由于船模简化造成一定的误差。

图8 舰船模型上层建筑隔振系统振动传递特性

4 结 语

本文针对某型舰船设计加工了缩比模型，对其舱筏和上层建筑隔振系统进行了有限元计算和实验验证。仿真结果表明：上层建筑和舱筏隔振系统的振级落差仿真结果与实验结果有3～5 dB的误差，但是仿真结果和实验结果的趋势都基本一致；模拟结果比实验结果更加光滑，主要原因是仿真模型比较理想化，而实际实验测试系统中设备的连接等都没有达到理想状态的约束。如何构建准确的仿真模型，准确建立结构之间的约束条件是后续工作的方向。

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ExperimentalStudyofCabinwithFloat-raftandSuperstructureVibrationIsolationSystem

FANGYuanyuan1,2,MAOKaijie2,XIAZhaowang2,LIUZhouyi2

(1. School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China；2. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China)

The simulation analysis and experimental study of the vibration isolation system in the ship cabin and superstructure are carried out. The nature characteristics and the vibration transfer rate of vibration isolation system are studied. The results show that the first natural frequency error of the cabin raft and superstructure vibration isolation system between the experimental and simulation results are 1.2% and 2.2%, respectively. The experimental vibration level difference of cabin raft isolation system is 2-5 dB lower than the simulation result, and the vibration level difference of the whole superstructure system is 3-5 dB higher than simulation results. But, the simulation results and experimental results are basically identical.

warship; cabin raft; superstructure; vibration isolation

TB 535

A

1006-7167(2017)09-0014-03

2016-12-15

江苏省高校自然科学基金项目(16KJA580002);江苏省自然科学基金项目(BK2017232)

方媛媛(1982-)，女，山东德州人，博士，讲师，主要从事船舶振动与噪声控制方向的研究。Tel.:15061491562;E-mail：fangyy82@163.com