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(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

發(fā)動機(jī)是船舶主要機(jī)械噪聲源之一，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的振動主要通過基座傳遞到船體上，發(fā)動機(jī)基座的機(jī)械輸入阻抗作為重要的隔振和聲學(xué)設(shè)計參數(shù)之一，決定了從激勵源進(jìn)入船體結(jié)構(gòu)的振動功率的比例。

船舶上的基座一般都直接與主船體連接，而且基座結(jié)構(gòu)形式也是多種多樣[1]。通?；臋C(jī)械輸入阻抗是通過實驗和有限元計算等方法獲得[2-4]，也可通過經(jīng)驗公式估算得到[5]。實際上基座機(jī)械阻抗測量通常是在船臺上進(jìn)行，而船舶下水后由于附連水的原因會對基座的實際輸入阻抗產(chǎn)生影響。本文針對典型發(fā)動機(jī)基座，采用經(jīng)驗公式與有限元方法研究其低頻段與中頻段內(nèi)附連水對基座機(jī)械輸入阻抗的影響。

1 典型發(fā)動機(jī)基座數(shù)學(xué)物理模型

基座作為使船舶設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)相連接的中間結(jié)構(gòu)，其機(jī)械輸入阻抗的計算模型應(yīng)包含基座結(jié)構(gòu)本身以及與基座結(jié)構(gòu)相連的所有船體結(jié)構(gòu)?；痛w結(jié)構(gòu)通常由梁、板和殼構(gòu)成，因此無法用一個統(tǒng)一的數(shù)學(xué)物理模型來精確計算全頻段內(nèi)(0.1 Hz～10 kHz)的機(jī)械輸入阻抗值。但是這一結(jié)構(gòu)體系在不同的頻率范圍內(nèi)的動力特性是不同的，因此可以根據(jù)各頻段內(nèi)的動力特性來確定相應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型。

本文基于分頻段的思想，當(dāng)作用在基座面板上的激勵力頻率很低時，激勵力尚不能激起基座的振動，而以船體的整體彎曲振動為主，此時可以將船體簡化成無約束自由梁模型，此時基座的機(jī)械輸入阻抗可以寫成

(1)

式中：ms，mw——單位長度船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量和附連水質(zhì)量；

Cb——船體梁中的彎曲波速；

k——彎曲波數(shù)；

l——船體長度。

隨著激勵頻率的升高，機(jī)械波波長與艙段尺度相當(dāng)，必須考慮艙段的彎曲變形對基座的影響，此時可以將計算模型簡化成兩端固支的艙段模型。激勵頻率繼續(xù)升高，此時附連水對水下結(jié)構(gòu)的影響可以忽略，因此不在本文研究范圍內(nèi)。

2 計算結(jié)果

2.1 低頻段

低頻段通常指船體一階彎曲模態(tài)頻率以前的頻率范圍，一般船用動力設(shè)備的基頻屬于該頻段。

由式(1)可見，在船體參數(shù)確定的情況下(即ms，Cb和kl相同)，船體在不同使用工況下的基座輸入阻抗是不同的。在實際使用中，船舶的典型使用工況有如下三種。

1)船臺工況。該工況通常出現(xiàn)在船舶的建造過程中，當(dāng)船舶下水前，工程人員往往會在船臺上對船舶做一系列試驗，來檢驗船舶的建造質(zhì)量，其中就有基座的機(jī)械輸入阻抗的測試。船臺試驗在船臺上進(jìn)行的，所以船體周圍是沒有附連水的，此時式(1)中的mw=0，阻抗公式變?yōu)?/p>

(2)

因此，在船臺測量得到的基座輸入阻抗的低頻段結(jié)果是偏小的。

2)漂浮工況。該工況為水面船舶的主要運(yùn)行工況。此時船舶有一部分是露出水面的，因此附連水質(zhì)量等于船舶的排水量，即自身的總質(zhì)量。因此阻抗公式變?yōu)?/p>

(3)

漂浮工況下，相同船舶的基座機(jī)械輸入阻抗是船臺工況時的2倍。

3)全潛工況。對于某些特殊的工程船舶，其工作時往往需要完全潛入到水中。在該工況下，附連水質(zhì)量大于船舶的總排水量，這時附連水質(zhì)量是最大的，故此時的機(jī)械輸入阻抗也是最大的。

圖1所示為以上三種工況下基座機(jī)械輸入阻抗的幅值曲線。從圖1中可見，ZF全潛>ZF漂浮>ZF船臺。根據(jù)以上分析可以得出一個結(jié)論：附連水質(zhì)量對基座輸入阻低頻段的阻抗特性影響很大，而且附連水質(zhì)量越大，基座輸入阻抗越大，以上結(jié)論僅限于本文研究的低頻段成立。

圖1 三種工況下基座低頻段機(jī)械輸入阻抗幅值

2.2 中頻段

當(dāng)激勵頻率大于船體梁一階彎曲頻率時，船體振動進(jìn)入中頻段。一般電器設(shè)備的振動頻段通常屬于該頻段。

在中頻段，基座的物理模型變成一個與艙段有關(guān)的結(jié)構(gòu)，由于有船體的存在，所以不能斷定附連水是否會對基座輸入阻抗造成影響，所以需要進(jìn)行有限元計算來確定。

圖2和圖3分別為帶基座的船體艙段在空氣中和水中的模型?；傞L6 m，寬度1.2 m，基座面板厚度38 mm，基座肘板間距0.6 m，肘板厚度20 mm；船體結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖4。流體參數(shù)為：密度1 000 kg/m3，聲速1 500 m/s。

圖2 空氣中帶基座艙段半剖模型

圖3 水中帶基座艙段半剖模型

對于水中的模型，在殼體與流體之間設(shè)置了流固耦合層，從而使流體能夠?qū)Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。分析方法采用諧響應(yīng)完全法。空氣中和水中模型激勵位置取同一點，方向垂直于基座面板，激勵力大小為單位力。材料結(jié)構(gòu)損耗因子取0.01，計算頻率范圍取30 Hz到200 Hz，頻率間隔取2 Hz。計算結(jié)果見圖5。

從圖5中可以看出，在該頻段里，基座在空氣中和水中的機(jī)械輸入阻抗不管從趨勢還是幅值上基本一致，惟一的區(qū)別在于固有頻率的變化以及相應(yīng)的峰值的變化。因為附連水的作用使結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量變大，從而使結(jié)構(gòu)的固有頻率下降，但是附連水對殼體內(nèi)部基座機(jī)械輸入阻抗的影響很小。

圖4 艙段結(jié)構(gòu)示意

圖5 空氣中與水中基座輸入阻抗幅值對比

隨著頻率繼續(xù)上升，激勵頻率進(jìn)入高頻段。此時附連水對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的影響非常微小，因此高頻段不是本文的研究重點。

3 結(jié)論

1)在低頻段里，附連水對設(shè)備基座的機(jī)械輸入阻抗影響很大，空氣中測量得到的機(jī)械輸入阻抗小于水總實際的機(jī)械輸入阻抗；

2)在中頻段里，附連水對設(shè)備基座的機(jī)械輸入阻抗影響不大，空氣中測量得到的機(jī)械輸入阻抗可以近似認(rèn)為就是水中實際的阻抗值；

3)在計算設(shè)備基座阻抗時，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的振動頻率合理選取適當(dāng)?shù)姆治瞿Ｐ?，對于頻率較低的設(shè)備基座可以用船體梁代替船體結(jié)構(gòu)，但是必須考慮附連水的影響，對于頻率較高的設(shè)備基座，可以忽略附連水對結(jié)構(gòu)振動的影響，從而節(jié)約大量的計算成本。

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