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(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

船舶是艦船振動(dòng)、噪聲的主要來源[1]。振動(dòng)不僅會(huì)影響主機(jī)功率的發(fā)揮，還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞壽命的下降，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂、變形，嚴(yán)重影響船舶機(jī)械壽命，并嚴(yán)重影響艦船的聲隱身性能。

基座是連接動(dòng)力設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，其是機(jī)械振動(dòng)傳遞到船體結(jié)構(gòu)的重要途徑。目前對船舶基座隔振性能的研究主要采用波動(dòng)理論，根據(jù)結(jié)構(gòu)突變時(shí)波型轉(zhuǎn)換阻抗失陪等在相應(yīng)部位增加阻振質(zhì)量或改變阻振質(zhì)量的截面形狀來隔離結(jié)構(gòu)聲的傳遞效果，或改變基座面板腹板的連接形式和基座結(jié)構(gòu)參數(shù)來進(jìn)行減振降噪[2-7]，而對基座的結(jié)構(gòu)形式在減振降噪中的研究較少。本文在目前艦船所用到的基座形式的基礎(chǔ)之上，根據(jù)阻抗失配原理提出4種基座形式，并建立有限元模型，進(jìn)行有限元?jiǎng)恿Ψ治?。采用基座面板原點(diǎn)速度阻抗、基座的動(dòng)剛度、外板的振動(dòng)功率級(jí)、外板的加速度級(jí)、上下參考點(diǎn)加速度振級(jí)落差及傳遞率對4種基座的隔振效果進(jìn)行評估。

1 艙段和基座的建模

由于動(dòng)力設(shè)備一般都是安裝在基座上，當(dāng)機(jī)械設(shè)備將振動(dòng)通過隔振器傳遞給基座面板后，振動(dòng)波沿著基座腹板等結(jié)構(gòu)向其它結(jié)構(gòu)傳遞，最終引起艇體向水中輻射噪聲。船體內(nèi)基座都是由各種形式的連接結(jié)構(gòu)串聯(lián)或者并聯(lián)組合而成，不同的結(jié)構(gòu)其振動(dòng)波的傳遞特性也不同。因此可以通過改變結(jié)構(gòu)的連接形式，構(gòu)造高傳遞損失基座，進(jìn)而來抑制振動(dòng)波的傳遞，最終降低船體向水中輻射噪聲。隔離船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲有效的方法是在振動(dòng)能量傳遞途徑上對其進(jìn)行吸收和使其反射，其實(shí)質(zhì)就是使結(jié)構(gòu)不連續(xù)、結(jié)構(gòu)的阻抗發(fā)生突變和非結(jié)構(gòu)材料吸收消耗部分能量，進(jìn)而達(dá)到減振降噪的目的?；谠撛恚脑O(shè)計(jì)可以采用組合不同材料構(gòu)成基座面板或腹板、插入大質(zhì)量構(gòu)件(如阻振質(zhì)量)和使用大阻尼材料等策略，這些都能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)阻抗突變的效果。

1.1 艙段的建模

本艙段是在某艦的基礎(chǔ)上經(jīng)過簡化而建立的。建立的船體艙段模型見圖1。

圖1 艙段結(jié)構(gòu)模型

船體艙段長13 m，船寬20.4 m，艙段高度14.6 m，基座長1.3 m、寬1.8 m，艙段左右對稱，各有一個(gè)基座。艙段共有三層甲板和雙層底組成，甲板、雙層底和船體舷側(cè)均有肋骨和加強(qiáng)筋增加剛度和強(qiáng)度。其中甲板、舷側(cè)和雙層底由SHELL63單元模擬，肋骨和桁架由BEAM188單元模擬。船舶結(jié)構(gòu)在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)(包括肋板、肘板、加強(qiáng)筋等)以及船體外表面均采用每個(gè)波長范圍有5個(gè)節(jié)點(diǎn)(4個(gè)單元)的網(wǎng)格劃分的原則，但未保證數(shù)據(jù)精確，在計(jì)算機(jī)計(jì)算能力允許的范圍內(nèi)盡量細(xì)化網(wǎng)格，提高網(wǎng)格質(zhì)量。鋼板中縱波波速為5 439.28 m/s，模型中最小板厚h=8 mm，計(jì)算頻率上限為400 Hz時(shí)，板中的彎曲波波長為0.447 m，要求單元尺寸最大為0.112 m，本文的網(wǎng)格大小最大為0.1 m，滿足上述要求。

艙段的有限元模型共有94 821個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)96 238個(gè)。其中有84 002個(gè)SHELL63單元，8 928個(gè)BEAM188單元和1 891個(gè)SOLD95單元。鋼為各向同性材料，彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比γ=0.3，密度ρ=7 860 kg/m3，損耗因子η=0.02。

1.2 4種基座模型的建立

為了降低某艦的振動(dòng)噪聲水平，特意建立了4種基座模型。

1號(hào)基座結(jié)構(gòu)由面板和支撐的縱橫相交的4個(gè)腹板以及基座底部和船體連接處的4根方鋼組成。面板厚度為16 mm，腹板厚度為12 mm?；|(zhì)量為984.56 kg。建立的有限元模型共有2 990個(gè)單元，3 358個(gè)節(jié)點(diǎn)。見圖2。

圖2 1號(hào)基座模型

2號(hào)基座結(jié)構(gòu)由面板和支撐的上下兩層交錯(cuò)布置的有間距的兩組桁架式結(jié)構(gòu)組成，為了加強(qiáng)其剛度在中間增加交錯(cuò)的4根支撐部件。基座面板厚度為20 mm，桁架厚度為10 mm?；|(zhì)量為424.68 kg。建立的有限元模型共有3 947個(gè)單元，4 077個(gè)節(jié)點(diǎn)。見圖3。

圖3 2號(hào)基座模型

3號(hào)基座由上下交叉布置的3層面板和腹板組成，中間由槽鋼支撐。充分運(yùn)用了阻抗失配原理中透射效率最低的結(jié)構(gòu)形式?；|(zhì)量為724.34 kg。建立的有限元模型共有1 034個(gè)單元981個(gè)節(jié)點(diǎn)。見圖4。

圖4 3號(hào)基座模型

4號(hào)基座在1號(hào)基座的基礎(chǔ)上，在其底部加上了縱橫相交的4個(gè)槽鋼。4號(hào)基座質(zhì)量為1 220.13 kg。建立的有限元模型共有2 247個(gè)單元，2 140個(gè)節(jié)點(diǎn)。見圖5。

圖5 4號(hào)基座模型

艙段測點(diǎn)以及各基座評價(jià)點(diǎn)見圖6和圖7。其中艙段測點(diǎn)和4種基座的評價(jià)點(diǎn)布置均為對稱布置，圖中只標(biāo)出了部分評價(jià)點(diǎn)。艙段評價(jià)點(diǎn)總數(shù)為30個(gè)，1號(hào)基座評價(jià)點(diǎn)有8個(gè)，2號(hào)基座評價(jià)點(diǎn)有6個(gè)，3號(hào)基座評價(jià)點(diǎn)有10個(gè)，4號(hào)基座評價(jià)點(diǎn)有12個(gè)。

圖6 艙段評價(jià)點(diǎn)示意

圖7 4種基座評價(jià)點(diǎn)示意

2 評價(jià)指標(biāo)

通過計(jì)算4種基座的基座面板原點(diǎn)速度阻抗、基座的動(dòng)剛度、外板的振動(dòng)功率級(jí)、外板的加速度級(jí)、上下參考點(diǎn)加速度振級(jí)落差、傳遞率對其隔振效果進(jìn)行評估。加載過程中，艙段兩端固支，激勵(lì)力為基座面板上0～400 Hz的單位力，采用直接計(jì)算法計(jì)算得到每個(gè)頻率處激勵(lì)點(diǎn)、基座底部評價(jià)點(diǎn)和殼體上30個(gè)評價(jià)點(diǎn)的速度、加速度。評價(jià)點(diǎn)的總振級(jí)和基座的平均振級(jí)表達(dá)式分別為

(1)

(2)

式中：N——計(jì)算頻率區(qū)間輸出頻率點(diǎn)數(shù)目;

M——評價(jià)點(diǎn)數(shù)目。

對于單位力作用下的艙單上的評價(jià)點(diǎn)，取1.0×10-18m2/s2為速度平方的參考值，按式(3)計(jì)算得到單位力作用下的艙段均方速度級(jí)(dB)

(3)

對于單位力作用下的艙段上的評價(jià)點(diǎn)，取1.0×10-12m2/s2為加速度平方參考值，按式(4)計(jì)算得到單位力作用下艙段的振動(dòng)加速度級(jí)

(4)

按式(5)計(jì)算得到單位力作用下的加速度振級(jí)落差。

TL=Lin-Lout

(5)

式中：Lin——輸入點(diǎn)的加速度級(jí);

Lout——基座下部的平均加速度級(jí)。

3 結(jié)果及分析

3.1 固有頻率計(jì)算

整體模型的邊界條件為艙段兩端固支，由模態(tài)計(jì)算得到4種基座整體模型的前10階固有頻率，見表1。

表1 基座固有頻率計(jì)算結(jié)果 Hz

3.2 基座剛度

通過在基座面板上施加單位力來求得基座底部的平均位移，得到4種基座的靜剛度見表2。

表2 基座的靜剛度 N/m

由表2可見,2號(hào)基座的剛度最小，與其它3種基座相差1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。1號(hào)和3號(hào)基座靜剛度在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，4號(hào)基座的靜剛度最大，1號(hào)和3號(hào)靜剛度接近.

系統(tǒng)的動(dòng)剛度是指系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)載荷作用下所具有的剛度，其大小等于系統(tǒng)產(chǎn)生單位動(dòng)態(tài)位移時(shí)所需施加的外部激擾力。當(dāng)外部激擾力頻率與系統(tǒng)固有頻率相近時(shí)，動(dòng)態(tài)位移會(huì)達(dá)到峰值，系統(tǒng)的動(dòng)剛度最小。4種基座的動(dòng)剛度隨頻率的變化關(guān)系見圖8。

圖8 動(dòng)剛度對比示意

由圖8可見，在0～100 Hz以內(nèi)，4種基座的動(dòng)剛度接近，但1、3、4號(hào)基座在40 Hz附近出現(xiàn)了谷值，說明這3種基座在40 Hz附近出現(xiàn)共振。100 Hz以上4種基座的動(dòng)剛度變化較大，其中4號(hào)基座的動(dòng)剛度在中頻段普遍大于1號(hào)和3號(hào)種基座，其發(fā)生共振的頻率可能為100、150、170、230、270和340。2號(hào)基座動(dòng)剛度曲線變化較大，桁架式基座與板架式基座相比在中頻剛度較大，1號(hào)基座在220 Hz以前變化趨勢和4號(hào)基座相似，但在220 ～260 Hz時(shí)與4號(hào)基座相比明顯呈現(xiàn)下降趨勢，這可能是4號(hào)基座下部的槽鋼增加了基座在高頻的動(dòng)剛度，1號(hào)和4號(hào)基座在結(jié)構(gòu)形式上具有一定的相似性，其變化規(guī)律相近。3號(hào)基座的動(dòng)剛度和1號(hào)相近，但最小?？赡苡捎诓捎玫陌寮芙诲e(cuò)布置的形式使剛度降低。

3.3 隔振性能分析

四種基座的原點(diǎn)速度阻抗見圖9。

圖9 原點(diǎn)阻抗幅值

由圖9可見，1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)基座的原點(diǎn)速度阻抗在100 Hz以下相近，都在30 Hz附近出現(xiàn)了一個(gè)峰值，這可能是艙段本身的固有頻率。在115 Hz附近原點(diǎn)速度阻抗出現(xiàn)了谷值，這說明在此頻率附近艙段位移變大，可能出現(xiàn)了共振，但4號(hào)基座的突變較大，說明可能此頻率范圍是4號(hào)基座模態(tài)，查看表1可以看到4號(hào)基座在115 Hz有一個(gè)固有頻率。2號(hào)基座的阻抗變化與其他基座的變化不同，在低頻段整體阻抗較小，但是在100～400 Hz頻段其原點(diǎn)阻抗較大。這說明2號(hào)基座與其它三種基座因形式不同而造成原點(diǎn)速度阻抗的差別較大。

圖10、11是4種基座的外板均方速度級(jí)和外板加速度級(jí)。

圖10 外板的均方速度級(jí)

圖11 外板加速度級(jí)

對比1、3號(hào)和4號(hào)基座，看到在0～100 Hz基本一致，2號(hào)基座和其它3種基座卻不同，曲線相當(dāng)于左移了一段距離，這說明在低頻段，外板的變化趨勢一樣，但2號(hào)基座會(huì)導(dǎo)致共振峰左移，導(dǎo)致低頻外板振動(dòng)均方速度降低。1、3號(hào)和4號(hào)基座外板加速度級(jí)變化趨勢一樣，但出現(xiàn)的波動(dòng)點(diǎn)卻不太一樣，這可能與艙段和基座的耦合模態(tài)有關(guān)，在不同的頻率處激發(fā)了相應(yīng)的模態(tài)。4號(hào)基座比1號(hào)基座在150～400 Hz振動(dòng)水平較高。2號(hào)基座外板均方速度級(jí)與1號(hào)基座相比降低了1.8 dB，3、4號(hào)比1號(hào)相應(yīng)增加了2.3 dB和2.9 dB。2、3號(hào)和4號(hào)基座的外板平均加速度級(jí)比1號(hào)增加了11.2、 6.3和2.8 dB。整體上來說1號(hào)基座的隔振性能更好些。

圖12給出了4種基座的加速度振級(jí)落差。1號(hào)基座的加速度振級(jí)落差明顯大于其它3種基座，2號(hào)基座的加速度振級(jí)落差最小，3號(hào)和4號(hào)基座相近。 在較高的頻率內(nèi)4號(hào)基座具有較好的隔振性能。

圖12 加速度的振級(jí)落差

圖13 傳遞率對比

圖13給出了4種基座的傳遞率的比較，整體上1號(hào)基座的傳遞率最小，其次是3號(hào)基座和4號(hào)基座，最大的則是2號(hào)基座。說明整體上1號(hào)基座具有更好的隔振效果，2號(hào)基座在高頻隔振性能較差。從振級(jí)落差和傳遞率這兩方面來看，1號(hào)基座性能最佳。4號(hào)基座峰值比1號(hào)基座有一定的減弱。

4 結(jié)論

1)增加基座阻抗有利于控制基座對動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)的傳遞，從而降低船體外殼的振動(dòng)，抑制水下噪聲輻射。

2)桁架式基座結(jié)構(gòu)與板架式基座相比，中頻段隔振性能較好。

3)基座底部的槽鋼減弱了基座在中低頻段的隔振效果。

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