高强度钢舱段浮筏基座结构声学设计

2021-06-08侯磊董一洋耿黎明

中国舰船研究 2021年3期

侯磊，董一洋，耿黎明*

1 海军装备部驻武汉地区第二军事代表室，湖北武汉 430064 2 中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

0 引言

隐蔽性和机动性是潜艇的主要研究方向，降低水下辐射噪声和提高下潜深度是提升上述性能的重要措施。

潜艇低速巡航时，机械噪声是最主要的噪声源，有效控制机械噪声是潜艇实现安静化的首要环节。在运转工况下，机械设备通过基座激励船体结构振动，并经耐压壳体向水中辐射噪声。为此，隔振器、挠性接管、声学覆盖层等被广泛应用于潜艇的减振降噪。浮筏是潜艇机械噪声控制措施的综合体现。实际上，浮筏是一种特殊的隔振系统，其机理是利用浮筏装置中弹性元件的阻尼和中间质量来控制并衰减振动能量，从而减小传递至耐压壳体的振动能量[1]。然而，在安静化进程中，潜艇将再次面临辐射噪声能量新级差[2]，仅依靠改良浮筏隔振系统、加大结构刚度和阻尼，所能实现的机械噪声控制力度有限。

为了保证潜艇的安全性，并有效控制结构重量，必须采用高强度钢来建造耐压结构。然而，高强度钢对缺陷偏差的高度敏感性使其对制造工艺要求严苛，导致结构在焊接装配过程中易于产生裂纹；较高的屈强比和较低的相对疲劳强度使结构的塑性裕度下降，抵抗裂纹产生和扩展的能力降低[3]。因此，高强度钢耐压船体设计需尽量消除结构硬点，消除局部高应力状态[4]。

浮筏基座作为连接浮筏与耐压船体的结构，一方面与耐压船体共同承担外压载荷的作用，另一方面又是舱内机械噪声向外传递的主要途径。在进行高强度钢舱段浮筏基座设计时，需要由被动的减振降噪转向主动的，并兼顾结构强度和重量、声学阻抗适配和振动等多因素，进行结构声学设计。

本文拟对某典型浮筏基座进行改进设计。该基座作为浮筏上机械设备振动向艇外传递的主要途径，其声学设计聚焦于结构的振动特性。通过改变基座结构形式及结构参数，分析其对基座阻抗、固有频率、重量、耐压船体强度的影响，经过多方案迭代，得到该基座的声学优化设计方案。

1 结构声学设计要求

浮筏的振动经由基座传递到耐压船体，基座的阻抗将直接影响结构的振动。提高基座阻抗值和阻抗均匀性，能有效改善耐压船体的辐射噪声[5-6]。从声学角度出发，要求基座的结构形式、几何参数、结构刚度等能够实现提高阻抗值和阻抗均匀性的目的[7]。

对于由高强度钢建造的耐压船体，局部高应力部位主要为结构刚度和连续性发生变化的位置[8-9]。浮筏基座作为舱段内刚度较大的强结构，约束着耐压船体在外压作用下的变形。从力学角度出发，要求尽可能降低基座对耐压船体强度所产生的影响。

高强度钢舱段浮筏基座设计需要兼顾上述2个方面的要求：声学上的阻抗适配需要提高基座刚度，力学上的刚度匹配则希望基座的刚度控制在合适范围内。综合考虑，为了避免在高强度钢耐压壳体上产生结构硬点，使壳板产生局部高应力状态，给结构安全性带来隐患，对高强度钢舱段浮筏基座结构开展了针对性设计：1）摒弃了传统舱段大型基座将面板和腹板直接与耐压船体焊接的结构形式，面板不再与耐压船体壳板相连，仅在两端与平面舱壁水平桁连接；2）取消腹板，在每档肋位处设置实肋板连接基座面板与耐压船体肋骨；3）面板之下沿纵向设置纵筋以提高结构刚度。采用上述结构形式的浮筏基座，在设计中应满足如下要求：

1） 0～1 000 Hz频段内舱段浮筏基座隔振器安装部位原点输入机械阻抗应不小于规定值；

2）舱段浮筏基座前两阶固有频率应错开其上机械设备的特征频率20%以上；

3）基座的耐压船体舱段强度应满足规范要求；

4）基座结构重量增加量在可接受范围内。

2 基座阻抗分析

2.1 有限元模型

选取舱段浮筏基座及与之相连的耐压圆柱壳和内部平面舱壁作为研究对象，如图1所示。耐压圆柱壳的肋距为600 mm。基座面板厚度为35 mm，其上设置有5个隔振器连接舱段浮筏与基座，隔振器安装垫板厚30 mm。每档肋位处设置30 mm厚的实肋板连接基座面板与耐压船体肋骨，实肋板面板宽60 mm，厚35 mm。基座面板之下，在隔振器激励点中心位置沿耐压船体纵向设置30 mm厚、200 mm高的纵筋。材料的弹性模量为196 GPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。

图 1 基座有限元模型Fig.1 Finite element model of the foundation

有限元模型以船宽方向为X轴，船长方向为Y轴，型深方向为Z轴。模型均采用Shell单元。舱段两端设置简支边界条件。在隔振器安装垫板中心位置施加沿Z轴的单位激励力。

2.2 阻抗分析

考虑基座结构的对称性，仅分析P1～P5这5个激励点作用下的阻抗，各激励点均位于隔振器安装中心位置。提取各点的原点速度响应，计算相应的原点阻抗和1/3倍频阻抗，并与标准值进行对比。图2给出了激励点P1的阻抗计算结果。

图 2 激励点P1的阻抗分析结果Fig.2 Impedance analysis results of exciting point P1

计算结果表明，在0～500 Hz和950～1 000 Hz频率范围内，激励点P1的阻抗计算值均低于标准值。激励点P2～P5的分析情况也与之类似。因此，需开展原始基座结构的改进优化。

2.3 基座结构改进

为了提高基座在各激励点处的阻抗值和阻抗均匀性，对基座结构形式和几何参数进行调整，开展了多方案的阻抗分析计算。

1）增加基座面板厚度；

2）在基座面板之下半档肋位处增设横筋；

3）增加各激励点处基座实肋板的厚度；

4）增加各实肋板面板宽度，将实肋板面板连接起来；

5）在基座面板之下局部位置增设纵筋。经过多方案试算，最终确定的改进方案为：基座面板厚度增为40 mm，半档肋位处增设高2 00 mm、厚30 mm的横筋，激励点处的实肋板厚度增为50 mm，将各肋位的实肋板连接到一起，基座局部位置增设纵筋。基座改进方案的有限元模型如图3所示。

图 3 基座改进方案有限元模型Fig.3 Finite element model of the improved foundation scheme

改进后激励点P1的阻抗计算结果如图4所示。结果表明，激励点P1在全频段的阻抗计算值基本满足标准要求。激励点P2～P5的阻抗计算结果如图5所示。

3 基座模态和舱段强度分析

浮筏基座改进方案第1、2阶固有模态的计算结果如图6所示。基座前两阶模态分别为43.309和79.182 Hz，与浮筏上机械设备的108 Hz特征频率的差值超过20%，满足设计要求。

为了分析浮筏基座对耐压船体应力状态的影响，在极限压力作用下，通过有限元模型分别计算了高强度钢舱段在无基座、原始基座、改进基座方案下的应力状态，计算结果如表1所示。由表可见，浮筏基座提高了耐压船体的应力状态，采用结构形式改进后的基座，耐压船体的强度能够满足规范要求。改进后的基座给耐压船体应力状态带来的影响小于原始基座。