海洋平台甲板及舱壁结构减隔振特性研究

2021-06-16李永胜张彤彤王纬波

噪声与振动控制 2021年3期

李永胜，张彤彤，王纬波

（1.中国船舶科学研究中心船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡 214082；2.江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏无锡 214082）

近年来，随着对船舶及海洋工程产品舒适性特别是声环境对航运及生产安全影响的日益关注，欧洲国家提出了船舶及海工平台噪声环境除了应满足保障船员健康的最低条件外，还应满足避免因平台上噪声引起船员疲劳和注意力分散导致航运和工作安全问题的要求[1]。国际标准化组织(ISO)、国际海事组织(IMO)、主要船级社(DNV/ABS/UK/HSE/CCS)等都对船舶及海工平台振动提出更为严格的要求，成了船舶及海工平台技术发展的动力。

平台振动噪声控制涉及结构振动控制、舱室噪声防护等多层次需求，由于甲板与舱壁是海洋平台中振动激励源传递的主要途径，且其辐射噪声大，故可以通过降低甲板及舱壁结构振动响应的方式，来降低海洋平台舱室的振动及噪声。文献[2]指出，对于给定的结构，尤其是甲板结构，由于要满足强度要求，一般不能轻易地删除构件，通常采用如增加甲板横梁和纵桁的截面尺寸，或者增加甲板横梁、甲板纵桁，或者改变甲板板厚等措施以提高甲板结构的刚度，从而避开频率禁区，以满足动力学方面的要求，研究结果可为平台甲板结构减振设计提供参考。林长刚等[3]以板架型材尺寸和纵向2根T型材的位置为设计变量，板架结构某个频段范围内谐响应分析的振动响应总级的最小值作为优化目标，对某支柱体板架结构进行参数优化分析；邢鹏飞[4]采用增加甲板纵梁数量，提高纵梁刚度的方法来减小压缩机组的振动响应。此外，为了控制振动波在结构中的传递，目前其它较为实用的研究主要包括采用阻振质量阻隔振动传递波的传递[5-8]以及基于自由/约束阻尼层进行耗能减振的方法[9-11]。

本文针对平台结构振动控制问题，以平台甲板及舱壁结构为研究对象，开展结构减隔振特性研究，主要考虑改变甲板、舱壁结构的型材布置及型材参数，同时也考虑应用阻振质量、阻尼层等隔振措施，并对采用这些方法后结构的减隔振特性进行分析。本文的研究提出平台低噪声甲板及舱壁结构减振应用方案，对减小平台甲板及舱壁振动能量传递水平，控制平台结构振动具有一定的实际意义。

1 振动计算模型

1.1 甲板与舱壁结构有限元模型

选取典型主机舱（图1）研究甲板和舱壁结构的减隔振特性。主机舱中的两台主机是平台结构的主要振动噪声源，单台主机机脚通过16个隔振器安装到基座面板上。主机产生的振动经基座、机舱甲板和舱壁传递到顶层甲板，对顶层甲板上的生活区产生影响。本文选取顶层甲板板架结构为被考核甲板，其中的一面舱壁板架结构为被考核舱壁进行减隔振研究。主机舱模型长14 m，宽13 m，高8.2 m。

图1 舱室计算模型（隐藏其中一面舱壁）

被考核甲板由甲板板、T型强梁及加强筋组成，如图2所示。其中甲板板厚度为15 mm，T型强梁规格为⊥，沿甲板长度方向布置有3条，沿宽度方向有1条；加强筋规格为HP200×10的球扁钢，沿甲板宽度方向布置22条，结构总质量约为34.1 t；

图2 被考核甲板模型

被考核舱壁由舱壁板及扶强材组成，如图3所示。其中舱壁板厚度为16 mm，扶强材规格为HP180×10的球扁钢，沿舱壁长度方向布置有9条，沿高度方向有3条。结构总质量约为13.2 t。

图3 被考核舱壁模型

采用有限元仿真平台ABAQUS建立包含甲板与舱壁结构的舱段模型，模型建立过程中考虑了主机、隔振器、基座及其周围结构。采用ABAQUS中的壳单元S4模拟板结构，梁单元B31模拟甲板强梁、加强筋及舱壁扶强材。采用质量点模拟主机的质量特性及其转动惯量，单台主机质量为90.85 t，主机纵向、横向以及垂向3个方向的转动惯量分别为380 95.6、183 760、167 468 kg·m2。采用三向弹簧单元模拟隔振器的动刚度特性。隔振器纵向、横向以及垂向3个方向的动刚度分别为8 654 400、8 654 400、5 529 600 N/m。主机模拟质量点与对应基座上的隔振器通过刚性杆连接传递振动激励力。

振动计算中所用钢材的弹性模量为E=207 GPa，泊松比为v=0.3，密度为7 850 kg/m3，阻尼损耗因子η=1%。振动谐响应计算分析频段为5 Hz～100 Hz。

1.2 激励力及边界条件

采用实测的主机机脚振动数据作为输入，并将其转化为主机所受到的激励力，如图4所示。

图4 主机激励载荷

可以看出，主机激励力在6 Hz的整数倍频率处均有峰值，在约54 Hz时激励力最大，其次是12 Hz、24 Hz。

数值计算时，主机的激励力施加在主机模拟质量点上，并通过隔振器传递到基座面板。舱段模型底部四边的边界条件取为简支。

1.3 振动测点布置

以甲板及舱壁上测点的平均振级作为结构振动特性及减隔振效果的评价指标。在甲板及舱壁上分别均匀选取12个测点，所选取的测点均在板上，如图5至图6所示。

图5 甲板振动响应输出点

图6 舱壁振动响应输出点

2 振动数据处理

动态激励力下，结构上第i个测点的振动加速度级按下式计算：

式(1)中：Li为激励力下编号为i的测点的振动加速度级，dB；ai为测点的振动加速度为基准加速度，一般取1×10-6m/s2。

n个测点的平均振级为

测点的平均总振级按下式计算：

3 甲板及舱壁结构减隔振特性

3.1 甲板及舱壁结构的振动特性

在主机激励力作用下，被考核甲板和舱壁的平均振动响应如下图7所示。

图7 被考核甲板和舱壁的平均振动响应

从图7可以看出，被考核甲板和舱壁均在6 Hz的整数倍频率点附近出现振动响应的峰值，这同主机激励力峰值出现的规律较为一致，如图4所示，但是两者的最大振动响应峰出现的频率点并非主机激励力最大时所对应的频率54 Hz，而是均出现在约36 Hz的频率点，在该频率点主机的振动载荷相对较小，说明结构的振动响应不仅受激励力影响，还可能与结构的固有振动模态密切相关。图8给出结构的前两阶以及峰值响应频率点附近的振动模态计算结果。

根据图8模态计算结果和图7结构振动响应计算结果，可以看出结构的振动响应峰值出现的频率与结构的固有频率有对应关系，其中被考核甲板在36 Hz、23 Hz、11 Hz频段点出现的几个振动响应峰，与甲板的弯曲振动固有频率36.3 Hz、21.5 Hz、10.6 Hz相对应；被考核舱壁在36 Hz、23 Hz、42 Hz频段点出现的几个振动响应峰，与舱壁的弯曲振动固有频率36.3 Hz、23.1 Hz、42.4 Hz相对应。

图8 被考核甲板和舱壁的典型振动模态

综合结构振动响应和固有模态计算结果，甲板和舱壁结构的振动响应受激励力和结构的共同影响。在激励设备及设备隔振一定的情况下，主要通过改变甲板及舱壁的结构设计提高结构的减隔振效果。下文通过对被考核甲板及舱壁结构的参数影响分析来研究其减隔振特性，探究提高减隔振效果的方法。

3.2 甲板T型梁参数对结构减振的影响

T型梁结构是甲板板架结构的主要承力构件，其结构参数不仅影响甲板结构的强度和稳定性，还对其振动特性带来重要影响。在原甲板方案的基础上，通过改变T型梁的腹板高度及对应的翼板宽度参数，研究其对甲板和舱壁减隔振特性的影响。其中方案1、方案2分别将甲板上所有T型梁的高度由原来的600 mm分别增加为700 mm、800 mm，对应的翼板宽度由原来的300 mm分别增加为350 mm、400 mm，其它参量不变。结构修改前后，在同样的激励条件下，甲板及舱壁结构的平均振动对比如图9至图10所示。

从图9甲板的平均振动比较来看，增加甲板T型强梁的高度及对应的翼板宽度均能降低原甲板大多数振动响应的峰值，对提高甲板板架的减振效果较为有利。从减振总级来看，方案2的减振效果最好，5 Hz～100 Hz范围内减振总级达到6.2 dB；方案1由于在54 Hz处振动响应峰值相对原方案有明显的放大，因此减振总效果不如方案2，但是相对于原方案仍有2.6 dB的减振效果。

图9 改变甲板T型梁规格对甲板振动的影响

从图10可以看出，改变甲板T型强梁参数对舱壁的平均振动影响较小。

图10 改变甲板T型梁规格对舱壁振动的影响

3.3 甲板T型梁及加强筋布置对结构减振的影响

T型梁及加强筋布置的变化将会改变板架结构的静、动刚度，进而影响其动力学特性以及减隔振性能。

原型甲板板架上T型梁主要沿纵向布置，加强筋主要沿横向布置，如图2所示。在原甲板板架的基础上，不改变T型梁及加强筋的参数，沿着甲板横向T型梁的两侧，各均匀的改变1条、2条加强筋为T型强梁，如图11、图12中的甲板型材布置方案1、方案2。

图11 甲板型材布置方案1

图12 甲板型材布置方案2

结构修改前后，在同样的激励条件下，甲板及舱壁结构的平均振动对比分别如图13、图14所示。

从图13甲板的平均振动比较结果来看，两种布置方式能够降低原甲板大多数振动响应的峰值，对提高甲板板架的减振效果较为有利。从减振总级来看，在5 Hz～100 Hz频段，甲板型材布置方案1的设计减振效果最好，减振总级达到9.4 dB；甲板型材布置方案2由于在54 Hz处振动响应峰值相对其它两个方案有一个明显的放大，因此减振总效果不如布置方案1，但是相对于原方案仍然有5.7 dB的减振效果。

图13 改变甲板型材布置对甲板振动的影响

从图14舱壁的平均振动比较结果来看，改变甲板型材布置方式同样对舱壁的平均振动影响较小。

图14 改变甲板型材布置对舱壁振动的影响

3.4 舱壁型材参数对结构减振特性的影响

对比分析了改变舱壁型材参数对甲板和舱壁减隔振特性的影响。舱壁型材方案1将舱壁的垂向扶强材均改为T型强梁；舱壁型材方案2将舱壁纵向扶强材中的两条改为T型梁，如图15，T型梁的规格与甲板板架上使用的T型梁规格相同。

图15 方案2纵向扶强材规格的变动示意图

结构修改前后，在同样的激励条件下，舱壁的平均振动对比如图16。甲板的平均振动对比如图17。

图16 改变舱壁型材对舱壁振动的影响

从图16可以看出：改变舱壁型材规格对舱壁的平均振动有较大影响，而且分别改变舱壁的垂向和纵向型材的参数带来的减振效果截然不同。舱壁型材方案1将垂向扶强材全部改为T型强梁，可以有效降低原舱壁在12 Hz、24 Hz、36 Hz、60 Hz等几个较大的振动峰值频率点的响应，从而起到较好的减振设计效果。在5 Hz～100 Hz频段，舱壁平均振动总级较原方案降低4.1 dB；舱壁型材方案2将纵向扶强材中的两条改为T型强梁，放大了原舱壁在12 Hz处的振动响应峰值，减隔振效果不佳。在5 Hz～100 Hz频段范围内，振动总级较原方案放大2.2 dB。

从图17可以看出：改变舱壁型材规格均使得甲板的平均振动响应放大，其中舱壁型材方案1由于放大了原甲板在30 Hz、36 Hz处的振动响应峰值，在5 Hz～100 Hz频段，甲板平均振动总级较原方案放大3.8 dB；舱壁型材方案2由于放大了原甲板在12Hz处的振动响应峰值，甲板平均振动总级则较原方案放大1.6 dB。

图17 改变舱壁型材对甲板振动的影响

3.5 增设阻振质量对结构隔振特性的影响

阻振质量是一个大而重的条体，其截面一般为矩形、正方形或者圆形，沿着声振动传递途径配置在板的结合处，使得结合处产生大的阻抗失配，用以隔离振动波的传递。本文考虑在主机舱底甲板与四个舱壁的交界处焊接一圈矩形阻振质量进行研究，阻振质量的尺寸保持180 mm（高度）×60 mm（厚度）不变，但是设置方式不同。方案1将阻振质量增设在振动源所在甲板（主机舱底甲板）的边缘，方案2将阻振质量增设在舱壁的根部，示意图如下。

图18 阻振质量布置示意图

结构修改前后，在同样的激励下，甲板及舱壁结构平均振动对比如下。

可以看出如图19和图20所示：增设阻振质量可以有效地降低被考核甲板和舱壁结构的振动，尤其是甲板和舱壁在24 Hz、36 Hz两个较大的振动峰得到明显的抑制，而且阻振质量添加在振动源所在甲板的边缘比设置在四周舱壁的根部减振效果更好。从减振总级来看，在5 Hz～100 Hz频段，在主机舱底甲板的边缘增设阻振质量，被考核甲板和舱壁的减振总级分别达到8 dB、1.4 dB；在四周舱壁的根部增设阻振质量，被考核甲板和舱壁的减振总级分别达到4.8 dB、2.5 dB。

图19 增设阻振质量对甲板振动的影响

图20 增设阻振质量对舱壁振动的影响

3.6 增设自由阻尼层对结构减振的影响

自由阻尼层是将一层具有大阻尼的材料直接粘附在需要减振处理的机器零件或结构件上，当结构产生弯曲振动时，阻尼层材料随结构一起振动，通过拉压变形将机械能转变为热能，从而起到耗能的作用。自由阻尼层由于施工方便等因素在工程结构中应用最多。本文考虑在被考核甲板和舱壁上分别使用自由阻尼层，并研究其对结构减振特性的影响。计算所用阻尼材料损耗因子为0.92，阻尼层的厚度按照一般经验取为板厚的3倍。在同样的激励条件下，对比增设阻尼层前后结构表面测点的平均振动，结果如下图。

如图21所示：在被考核甲板上增设自由阻尼层，甲板板架在36 Hz处最大的振动响应峰得到明显抑制，在5 Hz～100 Hz频段内平均振动总级降低5.3 dB；如图22所示：在被考核舱壁上增设自由阻尼层，舱壁板架在36 Hz、42 Hz处最大的振动响应峰得到明显抑制，在5 Hz～100 Hz频段内平均振动总级降低5.1 dB。因此在甲板和舱壁上增设自由阻尼层可以有效降低结构自身的振动响应。

同时从图21也可以看出：在被考核舱壁上增设自由阻尼层后，被考核甲板的平均振动有所放大，但放大的程度较小，计算频段内被考核甲板平均振动总级放大1.5 dB，主要原因是当被考核舱壁增设阻尼层后，模型整体质量虽然有所增加，但是对被考核甲板的影响只是其振动固有频率略有下降，其阻尼没有改变。由于被考核甲板振动固有频率下降，使得甲板结构的固有频率与主机激励频率36 Hz更为接近，导致甲板结构共振点的动力放大系数增加，振动响应峰增大；对于被考核甲板上增设自由阻尼层，被考核舱壁的振动受影响的情况亦如此，如图22所示。