两种箱体浮筏结构抗冲击及全频段隔振效果对比分析

吴选福 王 壮 陈 威 李晓彬

(武汉理工大学船海与能源动力工程学院1) 武汉 430063)(中国舰船研究设计中心船舶振动噪声重点实验室2) 武汉 430063) (武汉理工大学理学院3) 武汉 430063)

0 引 言

在船海工程的减振领域,机械设备的减振技术经历了早期的刚性安装设备、单层减振、双层减振、浮筏减振、整舱浮筏减振等几个主要阶段[1].早期单层隔振在中高频时隔振效果较差.针对单层隔振的缺点,发展出了双层隔振,中高频的隔振效果较单层隔振效果较好,但会增加船舶系统的额外负重[2].在双层隔振的基础上又发展出浮筏隔振,浮筏隔振系统能大幅减小动力机械振动和噪声,并能提高设备工作的稳定性[3-6].随着浮筏结构大型化、集成化的要求越来越高,传统的浮筏结构也很难满足要求, Bondayrk[7]推荐了一种舱筏结构,设备弹性安装在筏架上,筏架结构再弹性安装在艇体上,形成整舱浮筏结构,这种整舱浮筏结构能够保证与传统浮筏拥有相同的抗冲击及隔振效果时,极大地提高了浮筏的空间利用率.

整舱浮筏内由于人员和重要设备的存在,对其的隔振和抗冲击性能提出了更高的要求,而不同的筏架结构直接影响到浮筏抗冲击及隔振性能的好坏.在隔振方面,况成玉等[8]将周期结构引入到浮筏结构中,研究表明：周期桁架结构比传统板架结构更能有效抑制振动的传递.黄修长等[9]利用周期性结构的阻带特性和曲梁的波形转换效应,设计了一种曲梁周期浮筏,这种浮筏基于波形转换的曲梁结构能够增加振动衰减,并增加隔振装置的低频段和宽频段的隔振能力.程世祥等[10]设计了一种新型周期桁架结构浮筏,对桁架式浮筏隔振效果进行实验分析,结果表明：新型周期性桁架结构浮筏抑制振动传递的能力比传统浮筏更强.张峰等[11]设计了一种装有颗粒阻尼的塑料软管,将其运用到桁架结构振动控制中,试验分析结果表明：桁架外包颗粒阻尼的方法,在300 Hz以后能有效抑制结构之间的共振.黄修长等[12]利用周期结构产生的阻带铜带机制和手性结构所具有的波形转换和振动区域效应的作用,设计了一种手性周期结构浮筏，该浮筏限制了浮筏隔振装置中的振动传递,提高了浮筏的振动衰减效果. 在抗冲击方面,Ichiro 等[13]设计了折叠式桁架支撑结构,计算了桁架结构在碰撞、冲击载荷作用下的动力学响应.陈义蜂等[14]对充液浮筏和不冲液浮筏的抗冲及进行研究,结果发现在冲击环境下,充油筏体的加速度较不充油筏体的加速度小17%.

目前国内的研究报道大多关于传统浮筏系统的研究，传统浮筏设计主要采用板、梁一类结构，形式比较单一，缺少新概念、新原理，隔振性能再次提升存在一定制约因素.文中将网架结构应用于传统板架浮筏中,设计了一种新型的网架式箱体浮筏,对新型网架式箱体浮筏系统进行抗冲击及隔振效果研究,并与传统板架箱体浮筏进行比对分析.

1 模型建立

网架结构是由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连接而成的空间结构，具有空间受力小、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点，而这些优点恰能符合浮筏隔振系统集成化、大型化、轻量化的需求。文中将传统板架浮筏中部支撑上下面板的竖直板改进为相互交错的网架支撑结构,形成了一种新型网架式箱体浮筏,建立的模型见图1.两种浮筏结构的筏架部分长、宽、高相同(即长8 m、宽6.08 m,高2.1 m),结构材料选取为Q345钢,材料密度为7.85×103kg/m3,弹性模量E=206 GPa,泊松比σ=0.3.对筏架结构进行隔振器选型配置,形成箱体浮筏隔振系统.箱体浮筏上下面板上有中小型设备,其总重量约为9.7 t.筏架用Shell181单元(四节点壳单元)来进行建模,由于建模时板架箱体浮筏和网架箱体浮筏的单元大小分别为40 mm和30 mm,故两个模型的单元数相差较多.隔振系统的重量信息见表1,筏架的重量相差0.46%,总重量相差0.32%,两者都远小于1%,即两种浮筏模型重量相差不大.

表1 模型重量表

图1 示意图

浮筏隔振系统主要由筏架、隔振器以及设备组成.隔振器是隔振系统中的重要器件,由于其质量较小,一般忽略隔振器的内部结构,只关注其变形量,基于以上原因,选择三向弹簧单元来模拟隔振器.为使研究更加结合工程项目的实际需求，隔振器参数选用了大变形KB系列隔振器参数, 隔振器的相关参数见表2～3.考虑到浮筏结构与船体倾斜摇摆状态下可能与侧壁擦碰,布置了6个刚度较小的中层隔振器.对于筏架上的设备和人员,由于其尺度和筏架相比要小的多,故采用质量点的方式来模拟设备和人员,质量点和弹簧之间采用多点约束184(multi-point constraint, MPC)单元进行刚性约束.

表2 KB系列隔振器规格与主要性能

KB系列隔振器X、Y、Z方向冲力与变形的关系可表示为

式中：各隔振器对应的参数d0、k、a、b见表3。

表3 KB系列隔振器冲击参数

2 抗冲击效果对比分析

冲击环境基于 GJB1060.1-91 中冲击设计输入,参考德国 BV043-85 标准将浮筏系统的设计冲击响应关于频率的冲击谱等效转化为系统的冲击载荷-时间变化曲线[15-16].假设设备抗冲击能力设计为 A 级,浮筏安装在船体部位,安装形式为弹性设计.基于箱体浮筏隔振系统重量对箱体浮筏设计的垂向冲击载荷输入见图2.

图2 浮筏系统垂向冲击加速度时域曲线

采用瞬态动力学显式分析的方法,将加速度冲击波曲线作为载荷施加到浮筏系统上,分析浮筏系统在冲击荷载下的动态响应.筏架结构在冲击的作用下,隔振器由于阻尼的原因会反复震荡衰减,冲击能量逐渐耗散.由于垂向冲击,筏架下层隔振器的垂向变形量远大于其他两个方向,变形量因阻尼的作用呈现明显的周期性变化.板架箱体浮筏下层隔振器变形量的变化周期为0.15 s,隔振器变形量的第一个、第二个和第三个峰值分别为19.91，11.8和7.24 mm,网架箱体浮筏下层隔振器变形量的变化周期为0.16 s,隔振器变形量的第一个、第二个和第三个峰值分别为19.40，12.82和6.97 mm,振幅都呈逐步衰减趋势(见图3).

图3 板架和网架浮筏结构受垂向冲击作用下下层隔振器变形量随时间衰减曲线

由于箱体浮筏不仅承载了设备,还作为人员活动舱室,起保护设备和人员的安全的目的,其上、下面板的峰值加速度须小于人体的承载极限(约为12g),板架浮箱体筏结构和网架箱体浮筏结构上、下面板加速度见图4～5,由于设备和人员的存在,筏架又非刚体结构,所以在冲击作用下,会发生剧烈振动,即筏架上、下面板的加速度包含整体的加速度及自身局部的加速度.

图4 板架浮筏结构受垂向冲击作用下云图

图5 网架浮筏结构受垂向冲击作用下云图

冲击作用下的结果统计见表4,板架箱体浮筏和网架箱体浮筏的最大位移相差约2.8%(基于板架)、下层隔振器最大形变量相差约2.5%、面板峰值加速度分相差约-9.6%.在冲击环境下,板架箱体浮筏和网架箱体浮筏最大位移、上下面板加速度的峰值、下层隔振器变形量都相差较小,差值都小于10%,而板架箱体浮筏的最大应力比网架箱体浮筏高达45.8%,这是因为在冲击环境下,整个筏体会出现弯曲、扭转等复杂的变形装态,网架结构将弯扭作用下的筏架内部复杂的应力状态转化为网架杆件内简单的拉压的应力状态,从而减少了应力集中, 故网架箱体浮筏的抗冲击性能略优于板架箱体浮筏.

表4 筏结构在垂向冲击作用下的结果统计

3 浮筏隔振效果比对分析

选用振级落差的方式来评价浮筏系统的隔振效果[17].根据定义,加速度振级落差可表示为

LD=20 lg (D)

(1)

(2)

由于单个测点的振级落差不具有代表性,采用等效振级落差,选取若干个测点,计算其等效加速度振级,其表达式为

(3)

对筏架模型进行全频段隔振效果分析,使用传统的有限元法对模型在高频段的隔振效果进行分析存在一定的局限性.因此,对不同频段采用不同的方法进行隔振效果分析.

对箱体浮筏结构开展在5～10 000 Hz的隔振效果分析时,用VA-One软件进行建模,根据模型动力学特点,划分了低、中、高频段,在带宽内的模态数小于1定义为低频区(5～200 Hz)、模态数大于1小于5定义为中频区(200～1 000 Hz)、模态数大于5定义为高频区(1 000～10 000 Hz).计算分析时,在某一设备处施加一个大小为100 N方向垂直向下的正弦激励力,计算频率范围为5～10 000 Hz.在低频段计算浮筏结构的隔振效果时采用有限元法[18],在中频段采用混合法,在高频段采用统计能量法(SEA法).建立的箱体浮筏结构有限元模型、Hybrid模型和SEA模型,分别适用于低频段、中频段和高频段分析,两种SEA模型示意图见图6.下层隔振器振级和振级落差曲线见图7.

图6 浮筏结构SEA模型

图7 浮筏结构下层隔振器振级和振级落差曲线

由图7可知:在5～200 Hz内,板架箱体浮筏和网架箱体浮筏的隔振效果先逐渐增大并不断波动,隔振效果不稳定.该频段内板架箱体浮筏振级落差范围为11.37～50.32 dB,平均振级落差均值约在36 dB左右,而网架箱体浮筏结构振级落差范围为14.61～50.91 dB,平均振级落差均值约在37 dB左右.在200～10 000 Hz的中高频段,板架箱体浮筏和网架箱体浮筏的整体振级落差逐渐增大,表明频率越高,板架箱体浮筏和网架箱体浮筏的隔振效果越好.在此频段板架箱体浮筏的振级落差范围为40.31～72. 38 dB,平均振级落差约为53 dB,而网架箱体浮筏的振级落差范围为42.19～72.27 dB,平均振级落差约为55 dB.在全频段内,网架箱体浮筏的平均振级落差都高于板架箱体浮筏,这是因为网架箱体浮筏的杆件具有三角形单元的空间结构,通过杆件之间的拉压作用可实现筏体的自身稳定,振动源的振动会通过杆件之间的多向传递从而衰减.由此可见,网架箱体浮筏系统的隔振效果要略优于板架箱体浮筏系统的隔振效果.

4 结 论

1) 在冲击环境下,板架箱体浮筏的最大应力比网架箱体浮筏高达45.8%,网架箱体浮筏结构结构相对板架箱体浮筏结构能减少应力集中,网架箱体浮筏的抗冲击性能略优于板架箱体浮筏.

2) 在5～200 Hz的低频段内,网架箱体浮筏的隔振效果先逐渐增大并不断波动,隔振效果不稳定.在200～10 000 Hz的中高频段,网架箱体浮筏的整体振级落差逐渐增大,表明频率越高,网架箱体浮筏和板架箱体浮筏的隔振效果越好.从全频段来看,网架箱体浮筏的平均振级落差都高于板架箱体浮筏,网架箱体浮筏系统的隔振效果要优于板架箱体浮筏系统的隔振效果.