潘國雄，張 盛，周赤奇，徐北平

(武昌造船廠集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430060)

0 引 言

實(shí)船內(nèi)部通常將有相同系統(tǒng)功能或者位置較近的閥件，通過一定的剛性閥架進(jìn)行有效連接，在保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全性的條件下，統(tǒng)一布置閥的安裝方向、間距，這種實(shí)船內(nèi)部的管路、閥架、閥件組成的結(jié)構(gòu)在安裝工藝上稱為閥組單元。閥組單元將閥、閥組架與管路相連接，并與船體外殼直接剛性連接［1-2］。

由于管路流體脈動(dòng)紊亂、設(shè)備振動(dòng)源特性復(fù)雜，閥組單元伴隨有強(qiáng)烈的管壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)、閥結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)，當(dāng)發(fā)生諧振或者系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性較差時(shí)，影響管路附件連接的安全性。同時(shí)，閥組單元將產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲直接通過船體結(jié)構(gòu)傳遞而輻射至海水中，影響船舶聲學(xué)性能［3-5］。同時(shí)，由于閥組單元的制造、組合沒有相關(guān)工藝文件的明確說明，因而實(shí)際的閥組單元的制造方式、標(biāo)準(zhǔn)隨施工人員的不同而有較大的不同，對(duì)結(jié)構(gòu)的聲振性能的離散度影響較大，導(dǎo)致閥組單元結(jié)構(gòu)振幅較大，影響船體結(jié)構(gòu)可靠性、安裝聲學(xué)指標(biāo)要求。

本文采用有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法［6-8］，對(duì)閥的安裝間距、閥架臂長度、角鋼規(guī)格、隔振器安裝等制造工藝參數(shù)對(duì)其聲學(xué)性能的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明閥組架臂長對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性影響較大，加裝隔振器的改進(jìn)閥組單元的結(jié)構(gòu)比實(shí)船閥組單元在聲學(xué)性能方面有明顯的改善。

1 有限元分析模型

考慮到管路系統(tǒng)閥組、安裝附件和周邊環(huán)境的復(fù)雜性，研究很難用實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。利用Ansys 軟件，對(duì)現(xiàn)有的閥組單元建立如圖1所示的模擬實(shí)船環(huán)境的閥組單元結(jié)構(gòu)尺寸、由5 個(gè)截止閥組成的有限元簡化模型。研究中對(duì)閥施加水平方向、垂直方向的激勵(lì)力，激勵(lì)力位于中間閥件入口截面中心位置。實(shí)船閥組單元的結(jié)構(gòu)尺寸為閥架臂長0.60 m、閥間距0.16 m、角鋼規(guī)格50mm×50mm ×5mm，仿真計(jì)算如圖2所示的位于閥架結(jié)構(gòu)上的5個(gè)測點(diǎn)振級(jí)。圖2 和圖3 分別為原始閥組單元的測點(diǎn)布置與計(jì)算結(jié)果。

圖1 閥組單元仿真模型Fig.1 The FEM model of manifolds

圖2 閥組單元測點(diǎn)布置Fig.2 The test point location

圖3 原始閥組單元水平、垂直激勵(lì)各測點(diǎn)振級(jí)Fig.3 The vibration acceleration level of the manifolds

仿真結(jié)果表明，在閥組單元受到激勵(lì)時(shí)各位置振動(dòng)幅值差異較大，安裝閥門所在的水平架上的測點(diǎn)3 有最大的振動(dòng)響應(yīng)，閥組架懸臂部分測點(diǎn)2 和4 的振級(jí)則比測點(diǎn)3 的振級(jí)稍小，而在閥組架附近船體外殼體上測點(diǎn)1 和5 的振級(jí)與閥架上測點(diǎn)的振級(jí)相比要小很多。同時(shí)，垂直激勵(lì)與水平激勵(lì)條件下，實(shí)船閥組單元的測點(diǎn)響應(yīng)幅值差異較大，水平方向響應(yīng)較垂直方向高約15 dB，因而在研究中主要分析水平方向的閥組單元結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值變化。

2 管路閥組單元支架結(jié)構(gòu)參數(shù)的振動(dòng)特性

閥組架由相同型號(hào)的角鋼經(jīng)過切割、彎制和焊接制成，閥組架2 端直接焊接在船體外殼上，閥組單元的閥工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，閥組單元振動(dòng)通過閥架傳遞到船體外殼上，引起殼體輻射噪聲。閥組單元的結(jié)構(gòu)形式直接決定閥組單元的聲振特性，閥組單元可以改變的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括閥架臂長、閥布置間距和閥架角鋼型號(hào)。

在研究過程中，首先改變閥組單元的閥架臂長、閥布置間距和閥架角鋼型號(hào)3 組結(jié)構(gòu)參數(shù)，比較4 mm和5 mm 兩種厚度閥架角鋼組成的閥組單元，在不同頻率、不同載荷方向和不同載荷位置激勵(lì)下的振動(dòng)加速度級(jí)，進(jìn)而選出振級(jí)較小的閥組單元結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后，在閥組單元的閥間距、閥組架臂的長度、閥架尺寸規(guī)格、隔振器安裝形式的仿真分析研究基礎(chǔ)上，考慮多種因素組合變化的聲學(xué)、振動(dòng)特性，對(duì)多種影響因素的變化規(guī)律綜合分析，將多種影響因素功能特性較優(yōu)的方案綜合后進(jìn)行組合研究，選取聲學(xué)性能較優(yōu)的閥組單元模型進(jìn)行閥組單元的聲學(xué)性能試驗(yàn)。

2.1 閥架臂長對(duì)閥組單元振動(dòng)性能影響

閥組架近似一種懸臂結(jié)構(gòu)，在較小的激勵(lì)作用下會(huì)產(chǎn)生較大的振幅。對(duì)于懸臂結(jié)構(gòu)，臂長是影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的重要參數(shù)。分析不同閥組架臂長對(duì)結(jié)構(gòu)聲振特性的影響，根據(jù)船舶內(nèi)部管路實(shí)際空間布置情況，選擇0.50 m，0.55 m，0.60 m，0.65 m，0.70 m 5 個(gè)臂長尺寸作為研究對(duì)象。如圖4所示分別為40mm ×40mm ×4mm(圖a)，50mm ×50mm×5mm(圖b)厚角鋼組成的閥組單元1 號(hào)閥水平激勵(lì)的振動(dòng)加速度總級(jí)(以下分別簡寫為4mm，5mm 厚角鋼)。

圖4 4 mm 與5 mm 閥組單元不同閥架臂長模型的振動(dòng)仿真結(jié)果Fig.4 The vibration simulation result with the variety of arm length on 4 mm and 5 mm manifolds

由測點(diǎn)總振級(jí)隨閥架臂長的計(jì)算結(jié)果表明:隨著閥架臂長的逐步變化，各測點(diǎn)的振級(jí)變化均較顯著，如測點(diǎn)1 的總振級(jí)，在臂長由實(shí)船0.6 m 變化到0.55 m 時(shí)，在各種激勵(lì)方式下引起的振級(jí)變化接近30 dB，從0.6 m 變化到0.65 m 時(shí)引起的振級(jí)變化有20 dB。其他測點(diǎn)振級(jí)隨閥架臂長按照0.05 m這一步長變化時(shí)也有顯著變化，這表明閥架的振級(jí)對(duì)閥架臂長參數(shù)較為敏感，臂長參數(shù)的改變會(huì)引起閥架振級(jí)顯著的變化。

綜合各圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閥架臂長為0.70 m 時(shí)各測點(diǎn)的振級(jí)相對(duì)最小。在其他尺寸參數(shù)為閥間距0.16 m、角鋼尺寸規(guī)格50mm ×50mm ×5mm 時(shí)，應(yīng)選用0.70 m 作為優(yōu)化的閥架臂長尺寸。

2.2 閥布置間距對(duì)閥組單元振動(dòng)性能影響

依據(jù)船內(nèi)實(shí)際閥件法蘭安裝空間要求，閥間距要求為等間距，最小間距必須滿足一般操作人員雙手可以自由伸入2 閥中間空隙。因此，選用0.16 m，0.18 m，0.20 m，0.22 m，0.24 m 5 個(gè)閥間距作為研究對(duì)象。圖5 給出了4 mm 和5 mm 厚角鋼1 號(hào)閥水平激勵(lì)的加速度級(jí)。

圖5 4 mm 與5 mm 閥組單元不同閥間距模型的振動(dòng)仿真結(jié)果Fig.5 The vibration simulation result with the variety of valve distance on 4 mm and 5 mm manifolds

由4 mm 和5 mm 厚角鋼閥組單元振級(jí)隨閥間距變化的曲線可見:當(dāng)閥組間距從實(shí)船方案(閥間距0.16 m)變化到間距為0.18 m 時(shí)，測點(diǎn)合成振級(jí)變化較大(大部分測點(diǎn)振級(jí)降低約30 dB)，而當(dāng)閥間距從0.18 m 逐步遞增到0.24 m 時(shí)，測點(diǎn)振級(jí)隨閥間距的變化卻不明顯，大部分在10 dB 以內(nèi)。這表明閥組的振級(jí)對(duì)閥組間距參數(shù)的變化不太敏感，閥組間距在0.02 m，與閥架臂長改變所引起閥架振級(jí)的變化相比，閥組間距在0.02 m 步長變化時(shí)引起的測點(diǎn)振級(jí)變化較小，尤其是在1 和5 測點(diǎn)上，大部分都在10 dB 以內(nèi)。

當(dāng)閥間距為0.24 m 時(shí)，各測點(diǎn)的振級(jí)相對(duì)最小。在其他尺寸參數(shù)為閥架臂長0.60 m、角鋼規(guī)格50mm×50mm×5mm 時(shí)，應(yīng)選用0.24 m 作為優(yōu)化模型的閥間距。

2.3 閥組架角鋼規(guī)格對(duì)閥組單元振動(dòng)性能影響

根據(jù)實(shí)際常用的角鋼型號(hào)，選用40mm ×40mm×4mm，45mm × 45mm × 4mm，50mm × 50mm ×4mm，56mm ×56mm ×4mm，63mm ×63mm ×4mm 5 種尺寸規(guī)格的角鋼材料為研究對(duì)象，圖6 為各測點(diǎn)在第1 號(hào)閥水平方向激勵(lì)下振動(dòng)加速度級(jí)和合成振級(jí)。

圖6 4 mm 與5 mm 閥組單元的不同角鋼尺寸模型的振動(dòng)仿真結(jié)果Fig.6 The vibration simulation result with the variety of angle iron parameter on 4 mm and 5 mm manifolds

4 mm 厚角鋼的閥組單元聲振特性由測點(diǎn)總振級(jí)隨幾種角鋼型號(hào)變化的曲線可知:當(dāng)角鋼型號(hào)從實(shí)船方案(角鋼型號(hào)50mm ×50mm ×4mm)變化到45mm×45mm ×4mm，56mm ×56mm ×4mm 時(shí)，測點(diǎn)合成振級(jí)均有顯著降低，而當(dāng)角鋼型號(hào)再進(jìn)一步改變時(shí)，測點(diǎn)振級(jí)的變化卻不甚明顯，大部分測點(diǎn)總振級(jí)變化在5 dB 以內(nèi)。這表明閥組的振級(jí)對(duì)角鋼型號(hào)參數(shù)的變化不太敏感，角鋼尺寸改變引起的閥架振級(jí)變化與閥架臂長改變引起閥架振級(jí)的改變相比要小。

角鋼型號(hào)40mm×40mm×4mm，40mm ×40mm×5mm 型號(hào)的尺寸規(guī)格模型中，結(jié)構(gòu)測點(diǎn)的振級(jí)相對(duì)較小，應(yīng)選用40mm ×40mm 型號(hào)的角鋼尺寸規(guī)格。

3 管路閥組單元優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)的聲振特性

上述研究為僅改變閥組單元結(jié)構(gòu)的某一尺寸特征參數(shù)得到的閥組聲振性能，還需要分析各尺寸參數(shù)變化對(duì)閥組單元聲學(xué)性能的綜合影響，并得出4 mm 厚閥組架的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。為此，通過計(jì)算和對(duì)比分析，初步選出表1所示的4 組閥組單元的組合結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行聲振性能計(jì)算與對(duì)比分析，從中找出相對(duì)較優(yōu)的方案。其中H 為閥架臂長，L 為閥間距。

表1 閥組單元的組合變化方案Tab.1 The different combined projects of manifolds unit

由4 mm 角鋼結(jié)構(gòu)尺寸組合模型的計(jì)算結(jié)果，測點(diǎn)1 和5 布置在閥架與耐壓殼連接處，閥組單元的振動(dòng)通過閥架與耐壓殼的連接處傳遞到艇體上，故主要比較測點(diǎn)1 和5 的振級(jí)并兼顧其他測點(diǎn)振級(jí)。綜合比較可以看出組合優(yōu)化參數(shù)方案4 中閥組單元的測點(diǎn)振級(jí)基本都是最小。故選擇閥架臂長0.55 m，閥間距0.18 m，閥架角鋼尺寸規(guī)格40mm ×40mm ×4mm 為4mm 厚角鋼的閥組單元的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)。

圖7 4 mm 與5 mm 角鋼結(jié)構(gòu)的組合閥組單元模型的振動(dòng)仿真結(jié)果Fig.7 The vibration simulation result with the different opimistic model on 4 mm and 5 mm manifolds

對(duì)于5 mm 角鋼，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果綜合比較各測點(diǎn)振級(jí)的相對(duì)大小，較優(yōu)的方案為方案5-3，其結(jié)構(gòu)參數(shù)是閥架臂長0.60 m，閥間距0.16 m，角鋼型號(hào)為40mm×40mm×5mm。

4 管路閥組單元加裝隔振器對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞特性影響

分析閥組單元安裝隔振器后的聲振性能，在4mm 厚閥架的優(yōu)化方案基礎(chǔ)上，建立閥組單元和隔振器的整體有限元模型，比較安裝隔振器前后各測點(diǎn)振級(jí)的變化。試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、有限元仿真模型和?jì)算結(jié)果分別如圖8 ～圖10所示。

圖8 加裝隔振器閥組試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.8 The testing model of the manifolds adding isolator

圖9 加裝隔振器閥組仿真模型Fig.9 The simulation model of the manifolds adding isolator

圖10 加裝隔振器閥組仿真與試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 The simulation and testing results of the manifolds adding isolator

由仿真計(jì)算結(jié)果可見，安裝斜撐和隔振器后，4 mm 厚實(shí)船閥組單元的聲振性能得到很明顯的改善。加裝隔振器后，無論是在激勵(lì)點(diǎn)，閥架臂上還是在船體外殼體上的測點(diǎn)，其振級(jí)都普遍比4 mm 實(shí)船閥組單元、優(yōu)化閥組單元低。與優(yōu)化閥組單元相比，加入隔振器后，閥、閥架和船體外殼的振動(dòng)插入損失都在15 dB 以上。因此從仿真結(jié)果來看，安裝隔振器是減小閥組單元振動(dòng)的有效途徑。

研究對(duì)5 mm 厚角鋼的實(shí)船閥組單元和4 mm 厚角鋼的優(yōu)化閥組單元進(jìn)行了振動(dòng)仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，在4 mm 厚角鋼組成的優(yōu)化閥組模型上進(jìn)一步加裝隔振器進(jìn)行了試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果來看，加裝隔振器前后在閥處(測點(diǎn)3)的振動(dòng)量級(jí)兩者之間相差不大(1 ～2 dB);但在閥組單元的其他測點(diǎn)及部位，振動(dòng)量級(jí)有明顯的衰減;在第2 號(hào)閥和第3 號(hào)閥激勵(lì)時(shí)，插入損失最大可達(dá)到10 dB。因此，從試驗(yàn)和仿真計(jì)算結(jié)果可見，加裝隔振器后，閥組的聲振特性有顯著變化，安裝隔振器是減小閥組單元振動(dòng)傳遞的有效途徑。

5 結(jié) 語

根據(jù)試驗(yàn)和仿真計(jì)算結(jié)果，可得主要結(jié)論為:

1)當(dāng)閥架臂長以0.05 m 的步長變化時(shí)，各測點(diǎn)的振級(jí)變化均較為顯著，臂長由實(shí)船0.6 m 變化到0.55 m 時(shí)，同一測點(diǎn)在各種激勵(lì)方式下引起的振級(jí)變化接近30 dB，在其他步長間變化引起的振級(jí)變化也在20 dB 附近，表明閥架的振級(jí)對(duì)閥架臂長參數(shù)較為敏感，臂長參數(shù)的改變可引起閥架振級(jí)顯著的變化。

2)與閥架臂長改變引起測點(diǎn)振級(jí)變化的敏感程度相比，閥組間距隨步長的變化以及閥組角鋼尺寸變化所引起的同一測點(diǎn)總振級(jí)的變化則不太敏感。因此在加工制造管路閥組架時(shí)，對(duì)閥架臂長的確定需更慎重，可以首先通過調(diào)整合適的閥架臂長得到振動(dòng)相對(duì)較優(yōu)的閥架結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)一步改變閥組間距和角鋼尺寸得到更為優(yōu)化的閥組架。

3)在加裝隔振器后，仿真分析和試驗(yàn)測試都表明，閥組單元的聲振性能有較大程度的改善，加裝隔振器前后閥架上以及船體相同測點(diǎn)的振級(jí)插入損失可達(dá)10 dB。建議在加工制造管路閥組架時(shí)，對(duì)閥架臂長的確定需謹(jǐn)慎，可以通過調(diào)整合適的閥架臂長得到振動(dòng)相對(duì)較優(yōu)的閥架結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)一步調(diào)整閥組間距和角鋼尺寸得到更為優(yōu)化的閥組架方案。在條件具備的前提下，可以對(duì)閥組單元裝配合適的隔振器，能有效減小閥組單元的振動(dòng)以及振動(dòng)向耐壓船體的傳遞。

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