水下航行器浮筏隔振系统研究

2018-04-18郑学贵刘晓丽

机电产品开发与创新 2018年2期

郑学贵，刘晓丽

0　引言

大量研究表明，水下航行器的噪声主要来自于其动力装置[1]。目前水下航行器主要采用单层隔振，通过对隔振材料和安装方式来降低水下航行器的壳体噪声。随着浮筏隔振技术的日益成熟，浮筏隔振技术已成功的运用到许多舰船的减振降噪上，目前所设计浮筏隔振系统为保证隔振效果，一般筏体同动力装置的质量比保持在0.5~1.1之间[2，3]。但设计者为保证水下航行器的隐蔽性和航行速度，往往对水下航行器的质量有极其严格的要求，这成为水下航行器使用浮筏隔振系统的障碍。小质量比浮筏隔振系统在质量上能够很好地满足水下航行器对隔振系统质量的要求，但随着筏体质量的降低，系统各参数对隔振的影响也随着变大。本文针对小质量比浮筏隔振系统的各个参数加以研究，并分析它们对隔振的影响。

1　水下航行器动力舱段试验结果和有限元计算结果对比

1.1　试验结果[4]

表1　宽频带随机激励下振级落差总表Tab.1 The vibration levelunderwide-band random excitation

1.2　试验结果分析

通过试验的数据记录处理，并对数据进行分析得出：

（1）由振级落差试验数据表1可见，采用浮筏双层隔振比单层的隔振效果都好，特别在高频区。例如，有筏体B、无油，双层隔振方案与无筏体、无油，与单层隔振相比振级落差有了大幅度的提高。

（2）试验中发现浮筏隔振系统的隔振效果并不是在所有频段内均相同。其隔振效果与整体系统的耦合特性有关。特别在低频段，在筏体耦合系统模态频率附近，隔振效果大大降低。因此在有的频段应力求避免系统的耦合共振。由此可见，为保证系统的隔振效果必须对系统进行动态特性分析。

（3）总体上来说，对柔性隔振系统而言，4~5KHz的隔振效果要比2kHz以下的要好，见表1。

（4）当动力舱段中加油时，油会引起的振动传递短路，造成浮筏隔振系统的隔振效果下降。这同有关报道的结果相一致。

（5）在高频段，中间开孔的筏体具有良好的隔振效果。这表明中间筏体的质量可进一步减小。结果说明设计一种既有隔振效果，质量又轻的浮筏装置具有可能性。小质量比浮筏隔振系统在水下航行器的减振降噪上具有良好的应用前景。

1.3　有限元计算结果

为验证有限元计算的正确性针对有筏体B、无油方案的动力舱段建立有限元模型，建模时按实体进行1：1建模，计算时采用和试验相同的材料，采用四面体单元进行网格划分，单元共有38560个。

表2　水下航行器动力舱段固有频率Tab.2 Natural frequency of underwater vehicle power parts

从表2可以看出有限元计算结果同试验基本相同，说明有限元计算可靠，边界条件合理。

2　系统各参数对隔振的影响分析

2.1　壳体刚度对系统振动传递的影响

采用三种材料来研究壳体刚度对振动传递的影响。在保证可提质量不变的情况下，选用了三种弹性模量不同的材料，材料1的弹性模量是材料2的10倍、材料3的弹性模量是材料2的1/10倍，在三种材料下计算所得壳体位移响应曲线如图1所示。由图1可以看出三种材料在前几阶的固有频率几乎相同，平率在250~950阶段，材料1、材料2的位移响应曲线基本重合，材料3的响应曲线的变化明显大于材料1和材料2。由此我们认为对于水下航行器动力舱段来说不能简单地说壳体的刚度大小对振动传递是好是坏。要根据整个系统的动态特性来分析。由于壳体的声辐射能量主要为低频，为了进一步降低水下航行器的壳体声辐射，我们可通过加大壳体的刚度，提高壳体的固有频率来实现。

图1　不同壳体刚度在单位力激励下的位移响应曲线Fig.1 Displacement of different shell stiffness under unit force excitation

2.2　筏体质量比对隔振效果的影响

对于理想的双层隔振系统而言，其隔振传递率曲线有两个峰值，分别对应于系统的两个安装频率。第一安装频率主要与筏体上下隔振器的刚度、设备和筏体的质量有关，而第二阶安装频率则和同筏体与被隔振的质量比有关。随着质量比的增加，第二安装频率向第一安装频率靠近。众所周知，对于双层隔振系统而言，当扰动频率处于两个安装频率之间时，振动的损失通常很小，甚至被可能放大，而其第二安装以后的隔振传递率是按每倍频24分贝的速度下降，这就是为何要对筏体质量有一定要求的主要原因。

尽管大质量的筏体有一定的优越性。但是往往带来装置笨重、结构尺寸过于庞大的缺点。特别对于水下航行器而言，由于其对装置的质量控制极其严格，因而必须采用质量尽可能小的筏体结构。

图2筏体同动力装置的质量比依次为0.185、0.12、0.113、0.10，筏体结构依次为不开孔、开四个孔、开十二个孔、开十八个孔。简称为：质量1、质量2、质量3、质量4。

图2　不同质量比筏体动力舱段位移响应AFig.2 Displacement A of power parts under different mass ratio

从图2可以看到质量2、3、4的曲线在0~400Hz基本重合其原因为质量2、3、4相差不大，在随后的频率中质量2的变化最平稳且在1800Hz后的位移最小，则于其的质量在三个方案中最大有关，质量3在1500Hz以后的位移也小于质量4，这说明筏体的质量比越大隔振效果越好，这一结果同振动理论的有关观点一致。质量1的质量比最大，但其位移并不是最小，这是因为在1500H中的范围内其频率大多为径向振动频率，因而对径向振动的较为灵敏。

图3筏体同动力装置的质量比依次为0.10、0.16，筏体结构均为不开孔。简称为：质量5、质量6。图3中由于筏体的结构基本相同，因此可以看到质量大的筏体隔振效果较好。

图3　不同质量比筏体动力舱段位移响应BFig.3 Displacement B of power parts under different mass ratio

综合图2、图3，我们认为对于小质量比的浮筏装置来说不能简单地说质量比越大隔振效果越好，筏体的结构变化所引起的动态特性对最终隔振效果有很大的影响。

一般来说对于结构相近的筏体同动力装置的质量比越大隔振效果越好，但在进行隔振设计时不能简单通过增加筏体的质量来提高隔振效果，必须充分利用筏体的结构来改变系统的动态特性，减小耦合的发生。另一方面，如果能充分考虑筏体的动态特性避开系统的固有频率，小质量比的浮筏隔振系统一样可以取得较好的隔振效果。

2.3　隔振器刚度对振动传递的影响

取第一种类型的中间筏体，取第四种类型“O”型圈隔振器为研究对象，以橡胶材料的弹性模量E2=5.68×106N/m2为基础，再取E1=0.1E2、E3=10E2分别加以计算，以比较隔振器刚度对其固有频率的影响。

通过图4可以看到隔振器刚度对系统的固有频率的影响很大。随着隔振器刚度的增加系统的固有频率也随着增加，这同振动理论相符合。从这个系统的模态变形看前7阶都是隔振器变形，其他部分呈刚体运动状态，因此可通过降低隔振器的刚度来降低系统的固有频率，起到好的隔振效果。三种刚度的隔振系统均有1093、1100Hz附近的频率，从系统的模态变形发现这几阶变形为壳体变形，因此它们均有这些频率。

图4　固有频率曲线对比图Fig.4 Natural frequency curve

2.4　阻尼对振动传递的影响

对于小质量比浮筏隔振系统来说，动力装置、减振元件、筏体和水下航行器壳体组成了一个耦合系统，浮筏阻尼对总隔振效果的影响必须加以考虑。图5给出了小质量比时，几种阻尼比的计算结果。图中的阻尼分别为0、0.01、0.02、0.04。计算结果表明阻尼的作用对隔振有益，可以有效地抑制系统的共振响应，特别使在1000Hz以下的频率范围内。并且对于2000Hz的中频阻尼亦有隔振效果。但当阻尼从0.01提高到0.04时阻尼的作用不再那么明显，这说明阻尼只能降低共振处的振动响应，并不能较大地改变系统的振动特性。