沈正帆，吳聲敏，張 瑤，周志杰

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

0 引言

隨著船舶液壓系統(tǒng)的發(fā)展，液壓泵組及管路所產(chǎn)生的噪聲也隨之越來越受到人們的關(guān)注。液壓泵組的噪聲，控制閥中的氣穴、液壓沖擊以及與系統(tǒng)中的其他部件形成的耦合振動都是液壓系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲和振動的主要原因［1］。

針對各類噪聲和振動產(chǎn)生的機(jī)理，目前在船舶上也采取了一些針對性的措施來減小液壓系統(tǒng)的振動和噪聲。為了減小液壓泵組的振動向系統(tǒng)管路傳遞，在泵組的進(jìn)出口管路處使用撓性接管取得一定的減振效果［2］。但是液壓管路的穿艙部位處使用的還多是剛性通艙管件，在控制振動的傳遞途徑方面還存在一定的改進(jìn)空間。

本文結(jié)合隔振系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)理論和特點(diǎn)，為加強(qiáng)對液壓系統(tǒng)在流動管路上的振動控制，在傳遞途徑上減小其不利影響，通過開展多方案優(yōu)化對比后設(shè)計了具有隔振功能的通艙管件，并對其開展相關(guān)的數(shù)值仿真試驗(yàn)工作，結(jié)果表明采用隔振通艙管件能有效的降低管路系統(tǒng)振動向艙壁的傳遞。

1 隔振通艙管件設(shè)計方案

彈性隔振元件在實(shí)際工程應(yīng)用上受到很多條件的限制，最常用的隔振器包括:彈簧隔振器、橡膠隔振器、橡膠復(fù)合隔振器以及空氣彈簧隔振器［3］。盡管隔振器的種類較多，但在隔振機(jī)理方面類似，影響隔振系統(tǒng)控制振動及其傳遞的3個基本因素為隔振器的剛度、被隔離物體質(zhì)量及隔振器的阻力。剛度越大，隔振效果越差;被隔離物體質(zhì)量越大，在確定振動力作用下物體振動越小;而支撐阻力在共振區(qū)能抑制共振振幅，減弱高頻區(qū)物體的振動。由于所應(yīng)用的場合為穿艙部位，同時由于橡膠隔振器適用的頻率范圍是4～15 Hz，且不僅在軸向，而且在橫向及回轉(zhuǎn)方向均具有很好的隔離振動作用，且橡膠內(nèi)部阻力比金屬大，高頻振動隔離性能好［3］，綜合以上因素確定了隔振通艙管件采用橡膠隔振器的型式。

液壓系統(tǒng)管路中壓力油管路內(nèi)的流體因閥門的開啟和關(guān)閉而在管路內(nèi)部形成的液壓沖擊最大，可能引起較大的噪聲和振動，因此選取壓力油管路為對象開展了相應(yīng)的管件設(shè)計和仿真試驗(yàn)研究工作。

1.1 隔振橡膠材料

隔振橡膠一般使用的橡膠材料可分為5種:一般硫化橡膠，包括天然橡膠、丁苯橡膠、丁二烯橡膠等或者它們的混合物;特別要求耐油性能的硫化橡膠，如丁腈橡膠;特別要求耐天候性能的硫化橡膠，如氯丁橡膠;特別要求減振性能的硫化橡膠，如異丁橡膠;特別要求耐熱性能的硫化橡膠，如乙烯丙烯共聚物橡膠。

隔振橡膠的使用環(huán)境和功能特點(diǎn)是選擇橡膠材料的關(guān)鍵因素。隔振通艙管件主要應(yīng)用于液壓系統(tǒng)管路穿過艙壁處的管節(jié)部位，結(jié)合各種橡膠的特點(diǎn)及用途，本隔振通艙管件采用三元乙烯丙烯橡膠材料作為管件的減振部件，它是不飽和的乙烯和丙烯鍵與第三成分組成的三元共聚物，耐熱、耐天候性、耐臭氧性能好。在天然橡膠和丁苯橡膠中摻入少量而改進(jìn)其性能，用作在高混下的隔振橡膠。隔振橡膠的動態(tài)性能、蠕變性能、低溫特性，與金屬的粘結(jié)力、耐沖擊性能、耐疲勞破壞性能均可以通過原料橡膠的配方來控制。三元乙烯丙烯在本質(zhì)上無極性，對極性溶液和化學(xué)物具有抗性、吸水率低，具有良好的絕緣特性。

同時由于橡膠隔振器的性能和質(zhì)量主要取決于橡膠的配方和硫化工藝，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橡膠隔振器往往需要多次的試驗(yàn)總結(jié)才能確定加工工藝以取得預(yù)期的力學(xué)性能［3］。通過橡膠材料的對比與選型最終確定應(yīng)用與該管件的隔振橡膠的材料特性如表1所示。

表1 橡膠材料的力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical property of rubber material

1.2 隔振通艙管件方案

隔振通艙管件主要作用在于隔振，要設(shè)計出簡單的結(jié)構(gòu)形式，又能最大程度地耗散管系的振動能量，使瞬態(tài)振動迅速衰減并避免自激振動的產(chǎn)生，從而有效的減小管系的振動向船體傳遞。根據(jù)隔振通艙管件的特點(diǎn)，形成多種設(shè)計方案。

圖1 方案一Fig.1 Scheme 1

圖2 方案二Fig.2 Scheme 2

圖3 方案三Fig.3 Scheme 3

圖4 樣機(jī)安裝效果圖Fig.4 Effect of installation

以上設(shè)計方案均考慮了管件與硫化橡膠的施工工藝及實(shí)際安裝需求;方案一與方案二總體結(jié)構(gòu)形式相似，結(jié)構(gòu)簡單安裝方便，區(qū)別在于管件與硫化橡膠結(jié)合處的結(jié)構(gòu)形狀不同，方案一相對于方案二結(jié)構(gòu)形式更簡單;方案三采用了縱向和斜向壓緊方式，但縱向抗剪切能力不夠，當(dāng)管件上縱向力較大時，容易導(dǎo)致管件與硫化橡膠發(fā)生滑脫。通過對比確定方案一為設(shè)計方案。隔振通艙管件的樣機(jī)效果如圖4所示。

2 隔振性能的數(shù)值仿真

由于隔振性能是隔振通艙管件的重要考核指標(biāo)，因此必須對設(shè)計方案進(jìn)行合理有效的計算和評估。在隔振和沖擊計算分析方面，目前應(yīng)用比較多的方法包括經(jīng)驗(yàn)公式法、動力分析法、有限元分析法、沖擊響應(yīng)譜法、動力設(shè)計分析法以及沖擊隔離優(yōu)化設(shè)計等［2］。由于管件的結(jié)構(gòu)形式對于其減振效果有很大影響，采用有限元分析方法能對整個結(jié)構(gòu)的剛度及沖擊響應(yīng)進(jìn)行全面的考核，但將具有高度非線性特征的管件 (同時具有材料非線性、接觸非線性及大變形等特點(diǎn))簡化成為線性模型可能會存在較大的誤差，甚至在通用有限元分析程序中無法求解。為了體現(xiàn)這種高度非線性特性，本文采用基于顯式動力學(xué)相關(guān)理論的計算方法對管件在沖擊載荷作用下的時域響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真試驗(yàn)研究。

2.1 顯式動力計算方法及特點(diǎn)

顯式動力計算方法廣泛應(yīng)用于幾何非線性(大位移、大轉(zhuǎn)動和大應(yīng)變)、材料非線性和接觸非線性等情況下的有限元分析，以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法;以顯式求解為主，兼有隱式求解功能;以結(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析、流體－結(jié)構(gòu)耦合功能;以非線性動力分析為主，兼有靜力分析功能;是通用結(jié)構(gòu)分析的非線性有限元程序［4］。該方法用中心差分法在時間t求加速度:

式中:Fhg為沙漏阻力;Fcont為常量力。速度與位移用下式得到:

本文計算中所應(yīng)用的單元為8節(jié)點(diǎn)單元，每個節(jié)點(diǎn)在x，y，z方向都具有位移、速度和加速度等自由度。所選用的Blatz-Ko接近不可壓縮橡膠模型使用第二類Piola－Kirchoff應(yīng)力。

式中:G為剪切模量;V為相對體積;v為泊松比;Cij為右柯西－格林應(yīng)變張量;δij為Kronecker delta。

2.2 物理模型及網(wǎng)格劃分

由于硫化橡膠的材料硬度遠(yuǎn)小于管件本體材料，隔振通艙管件在沖擊載荷作用下的響應(yīng)特性取決于硫化橡膠件與管件間的相互作用，法蘭連接結(jié)構(gòu)對硫化橡膠的響應(yīng)特性幾乎沒有影響，所以為了簡化計算模型，對法蘭及連接件進(jìn)行適當(dāng)簡化。采用軸對稱單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通艙管件的模型如圖5和圖6所示。

圖5 三維計算模型圖Fig.5 Three-dimensional calculation model

圖6 三維計算有限元模型Fig.6 The finite element model

圖7 壓力響應(yīng)曲線Fig.7 Pressure response curve

2.3 邊界、載荷及仿真結(jié)果

通艙管件焊接基座(件2)與艙壁(件1)焊接在一起;端面法蘭(件4)通過位移約束模擬對硫化橡膠減振件(件3)的安裝預(yù)緊;件2，3，5(通艙管件過流件)之間由于接觸關(guān)系相互作用;對艙壁邊線施加位移全約束。

對通艙管件進(jìn)行分析，模擬液壓通艙管件在穩(wěn)態(tài)內(nèi)部液壓的作用下工作時，由于液壓管路沖擊載荷作用的響應(yīng)情況。為保持分析的連續(xù)性，對于除沖擊載荷以外的其他非動態(tài)載荷也采用瞬態(tài)斜坡載荷的加載方式，由于所有載荷都是按時間段分別施加的，對計算結(jié)果及評估分析沒有影響，加載過程如下:1)端面法蘭對硫化橡膠減振件的安裝預(yù)緊;2)管路內(nèi)加載內(nèi)壓力;3)通艙管件管子的一端受到瞬態(tài)沖擊。

彈性密封件左、右片的密封壓力曲線分別如圖7中的B，A曲線所示，該工況下的穩(wěn)定密封壓力為0.75 MPa，能夠滿足自密封的要求。

硫化橡膠減振件及管件其它剛性部件截面上平均壓力分布情況如圖8所示，艙壁上某節(jié)點(diǎn)處的振動加速度曲線如圖9所示，其數(shù)量級為104m/s2。

圖8 穩(wěn)定狀態(tài)時的應(yīng)力分布圖Fig.8 Stress envelope in steady state

圖9 艙壁上某節(jié)點(diǎn)處的振動加速度曲線Fig.9 Accelerating curve of a node on bulkhead

2.4 與剛性通艙管件減振性能的對比

為了對比使用隔振通艙管件和使用普通剛性連接的通艙管件時艙壁對沖擊載荷的響應(yīng)情況，對相同規(guī)格的管件直接焊接在艙壁上受到相同的沖擊載荷的響應(yīng)情況進(jìn)行計算，計算的邊界條件和載荷也不變。

在受到同樣的沖擊載荷作用時，艙壁上同一節(jié)點(diǎn)處的振動加速度曲線如圖10所示，其數(shù)量級為106m/s2。

為了能在研究試驗(yàn)階段就能更加直觀地對隔振通艙管件的隔振性能進(jìn)行評估，選用插入損失作為評價指標(biāo)［5］，其計算公式為:

圖10 艙壁上某節(jié)點(diǎn)處的振動加速度曲線Fig.10 Accelerating Curve of a Node on Bulkhead

其中:A1為與剛性通艙件相連的艙壁處的徑向振動加速度響應(yīng);A0為與隔振通艙件相連的艙壁處的徑向振動加速度響應(yīng)。

使用隔振通艙管件后，在相同的沖擊載荷作用下艙壁上同一點(diǎn)處的振動加速度級由106m/s2下降到了104m/s2，插入損失為IL=20 lg(A1/A0)=40 dB，隔振通艙管件的隔振效果明顯。

綜上，通過對隔振通艙管件建立有限元分析模型，并施加模擬實(shí)船液壓管路沖擊的激勵載荷，對管件的減振和密封性能進(jìn)行的數(shù)值仿真結(jié)果表明通艙管件能滿足實(shí)船使用自密封的要求，隔振的效果明顯。

3 結(jié)語

隔振通艙管件應(yīng)用于液壓系統(tǒng)管路的穿艙部位，是在液壓系統(tǒng)的傳遞途經(jīng)上減小其振動向系統(tǒng)外傳遞的有效手段。所采用的基于顯式動力學(xué)理論的計算方法，克服了基于線性計算模型的計算方法對材料的非線性以及接觸非線性計算的不利之處，有效地模擬了在非線性情況下結(jié)構(gòu)對激勵載荷的響應(yīng)，為管件在沖擊載荷作用下的時域響應(yīng)仿真研究提供有效的技術(shù)支撐。

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