朱成雷，魏 強，鄭超凡，翁章卓

（中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064）

水面艦船復(fù)合雙層底結(jié)構(gòu)隔振特性分析

朱成雷，魏 強，鄭超凡，翁章卓

（中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064）

為了提高水面艦船的聲隱身性能，對典型的雙層底結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剖析和研究。由于“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)在大部分頻率處的透射效率較小，同時偏心阻振質(zhì)量塊對振動波有較好的阻隔效果。因而，在雙層底的縱桁和肋板上構(gòu)造“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)和添加不同偏心距和重量的阻振質(zhì)量塊，形成復(fù)合的雙層底結(jié)構(gòu)。采用FEM法對改進(jìn)前后的雙層底結(jié)構(gòu)的振動特性進(jìn)行數(shù)值仿真計算。結(jié)果表明：在雙層底內(nèi)部構(gòu)造“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)阻抗也隨之發(fā)生變化，產(chǎn)生阻抗失配，這樣在部分頻段就能有效的阻斷振動波的傳遞，而且阻振質(zhì)量的偏心布置和增大阻振質(zhì)量也都會在一定程度上提高隔振效果。使之復(fù)合雙層底結(jié)構(gòu)的聲隱身性能有可能得以改善。

振動與波；雙層底結(jié)構(gòu)；阻振質(zhì)量；聲隱身

水面艦船主機、輔機等眾多機械設(shè)備在摩擦、沖擊等力的作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動，主要通過基座—艇體—流場的傳遞途徑以彈性波的方式向外傳遞?？v骨架式雙層底結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代水面艦船典型結(jié)構(gòu)形式之一，其中肋板和縱桁是連接內(nèi)底板和船底板的主要構(gòu)件，由于這兩種構(gòu)件的存在，設(shè)備激勵經(jīng)由內(nèi)底板向船底板傳遞時將在雙層底內(nèi)部形成混合波的反射、透射和波形轉(zhuǎn)換。而機械設(shè)備振動傳遞到外部殼體上的振動量級在很大程度上決定了低頻噪聲水平，因此雙層底結(jié)構(gòu)對于水面艦船的振動和水下聲輻射有著重要的影響。

目前對潛艇的雙層殼間的托板的減振特性有了一定的研究，文獻(xiàn)[1]研究討論了殼間連接形式變化對雙層圓柱殼的聲輻射性能影響，得到殼間連接越緊密，其輻射聲功率越高。文獻(xiàn)[2]在雙殼舷間結(jié)構(gòu)聲傳遞途徑試驗分析基礎(chǔ)上，提出了阻振質(zhì)量復(fù)合托板結(jié)構(gòu)，驗證了阻振質(zhì)量復(fù)合托板的有效性。阻振方鋼作為一種有效阻隔振動的結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在船舶結(jié)構(gòu)上。文獻(xiàn)[3—5]基于波動理論探討了阻振質(zhì)量對典型船體連接結(jié)構(gòu)中振動波傳遞的阻抑特性，討論了阻振質(zhì)量偏心布置對其隔振性能的影響。文獻(xiàn)[6-—8]利用有限元軟件檢驗了阻振方鋼的隔振效果，并分析了其結(jié)構(gòu)參數(shù)對隔振效果的影響。在此基礎(chǔ)上，本文應(yīng)用阻抗失配和波型轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行水面艦船雙層底結(jié)構(gòu)的隔振設(shè)計。在雙層底振動噪聲的傳遞途徑中，構(gòu)造降低振動波傳遞的“┻┳”結(jié)構(gòu)和使阻抗失配的阻振質(zhì)量塊，以阻斷振動噪聲的傳遞，形成復(fù)合雙層底結(jié)構(gòu)，并用數(shù)值仿真方法檢驗了復(fù)合雙層底剛性隔振設(shè)計的有效性。

1 振動控制理論

1.1 船體典型連接結(jié)構(gòu)波動特性

在將“┏┛”形連接結(jié)構(gòu)、“╋”形連接結(jié)構(gòu)、“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)、“┻”形連接結(jié)構(gòu)和“┛”形連接結(jié)構(gòu)這幾種典型連接結(jié)構(gòu)中彎曲波—彎曲波透射效率進(jìn)行計算后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)構(gòu)成連接結(jié)構(gòu)的材料和各板板厚都相同時，不同的連接結(jié)構(gòu)其透射效率相差很大，其中以“┏┛”形連接結(jié)構(gòu)透射效率最大。同時，“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)在大部分頻率處都要小于“╋”形連接結(jié)構(gòu)的透射效率，只有在部分頻率處偏大。所以采用“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)和“╋”形連接結(jié)構(gòu)能大大降低結(jié)構(gòu)振動波的傳遞，從而降低結(jié)構(gòu)的振動[9]。

1.2 阻振質(zhì)量阻波特性

作為一種可以有效阻隔結(jié)構(gòu)聲傳遞的結(jié)構(gòu)形式，阻振質(zhì)量在水面艦船艙壁、基座等結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。如果可以在充分了解水面艦船雙層底和其上的基座的振動傳遞分析基礎(chǔ)上，將阻振質(zhì)量應(yīng)用于水面艦船雙層底的肋板和縱桁中，形成結(jié)構(gòu)阻抗失配，那么這對水面艦船的雙層底的減振降噪具有重要的工程應(yīng)用價值。

圖1 五種典型連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 阻振質(zhì)量示意圖

對于一個無限長的阻振質(zhì)量塊布置在無限大的板上，假設(shè)有一平面彎曲波從板的左側(cè)以角度φ入射阻振質(zhì)量。板的邊界不存在波的反射，那么根據(jù)板和阻振質(zhì)量的耦合邊界條件等可以得到其透射系數(shù)

其中rm為阻振質(zhì)量的橫截面慣性半徑；kbm為彎曲振動波數(shù)；ktm為扭轉(zhuǎn)振動波數(shù)；ρp為板單位面積的質(zhì)量。

采用隔振度來衡量阻振質(zhì)量對結(jié)構(gòu)聲的阻抑作用，隔振度越大，抑制作用越強。隔振度公式為

式中φ為透射系數(shù)的平均值

圖3 阻振質(zhì)量隔振度隨頻率變化曲線

圖3所示為阻振質(zhì)量隔振度隨頻率變化曲線。在全透射頻率以前，阻振質(zhì)量對彎曲波幾乎沒有隔離作用；在全透射頻率之后，阻振質(zhì)量對振動噪聲的隔離效果越來越好，激勵頻率到達(dá)全阻隔頻率時，阻振質(zhì)量的隔振效果達(dá)到最好。

圖4 偏心阻振質(zhì)量示意圖

進(jìn)一步對偏心布置的阻振質(zhì)量塊的隔振度進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，阻振質(zhì)量的偏心布置顯著提高了負(fù)值低谷頻率以外全頻段的隔振性能。由此，既改善了中低頻隔振性能、拓寬了阻振質(zhì)量的工作頻率，同時又提高了高頻最大隔聲量的幅值。并且隨著阻振質(zhì)量塊偏心距的增大，阻振質(zhì)量對彎曲波的阻抑效果增強。因此，在滿足艇體結(jié)構(gòu)強度及裝配工藝的前提下，建議偏心布置阻振質(zhì)量塊。

2 復(fù)合雙層底結(jié)構(gòu)仿真分析

雖然目前通過理論解析的方法來分析簡單結(jié)構(gòu)中振動波的傳遞非常準(zhǔn)確，但是在對稍微復(fù)雜一些的結(jié)構(gòu)分析振動波的多向傳播時，就會變得非常困難。因此，在工程實際中一般采用數(shù)值仿真的方法來分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動特性。本文采用有限元法研究中低頻段在水面艦船雙層底中構(gòu)造“┻┳”結(jié)構(gòu)和阻振質(zhì)量塊的振動特性。

水面艦船的雙層底結(jié)構(gòu)是由內(nèi)底板、外底板、肋板、底縱桁、內(nèi)底縱骨和船底縱骨組成。內(nèi)底板和外底板均有密集的縱骨支持，可以提高底部的縱向強度。內(nèi)底板和外底板通過肋板和縱桁相連接。如圖5所示。

圖5 水面艦船雙層底結(jié)構(gòu)示意圖

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如圖6所示，船體艙段長為13 m，船寬20.4 m，艙段高度為14.6 m，基座長為1.3 m，寬為1.8 m，艙段左右對稱，各有一個基座。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)均有肋骨和加強筋增加剛度和強度。其中甲板、舷側(cè)和雙層底由SHELL 63單元模擬，肋骨和桁架由BEAM 188單元模擬。船舶結(jié)構(gòu)在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（包括肋板、肘板、加強筋等）以及船體外表面均采用每個波長范圍有5個節(jié)點(4個單元)的網(wǎng)格劃分的原則。但是，為保證數(shù)據(jù)精確，在計算機計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，計算頻率上限為400 Hz時，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。

圖6 艙段結(jié)構(gòu)模型

鋼為各向同性材料，參數(shù)為：楊氏模量E=2.1× 1011Pa，泊松比γ=0.3，密度ρ=7 860 kg/m3，損耗因子η=0.02。

2.1 復(fù)合縱桁結(jié)構(gòu)振動特性研究

采用上述艙段模型，通過改變雙層底的肋板和縱桁的形式，基于數(shù)值方法開展“┻┳”結(jié)構(gòu)對艙段振動特性的影響研究。針對雙層底中的縱桁上的球扁鋼的布置形式進(jìn)行了改變，將其改為“┻┳”形結(jié)構(gòu)（如圖7所示）。

圖7 兩種不同形式的縱桁加筋示意圖

加載過程中，艙段兩端固支，激勵力為基座面板上0～400 Hz的單位力，采用直接計算法計算得到每個頻率處激勵點、基座底部評價點和殼體上63個評價點的速度、加速度。

對于單位力作用下的艙段上的評價點，取1.0×10-18m2/s2為速度平方的參考值，按式(1)計算得到單位力作用下的艙段均方速度級（dB）

對于單位力作用下的艙段上的評價點，取1.0×10-12m2/s2為加速度平方參考值，按式(2)計算得到單位力作用下艙段的振動加速度級（dB）

圖8和圖9為兩種不同形式縱桁的雙層底的外板均方速度級和外板加速度級對比圖。由外板均方速度級對比圖可以看出在反向布置加強筋后在100 Hz～200 Hz之間外板的均方速度級有所下降，平均下降了4 dB，但是200 Hz～380 Hz以后有不同程度的上升。這說明“┻┳”結(jié)構(gòu)對本水面艦船艙段在100 Hz～200 Hz具有較明顯的阻隔振動波的效果?？赡苁且驗樵诖祟l率段內(nèi)，振動波與全部二次反射振動波的相位相反，從而使得振動波的傳遞效率出現(xiàn)了極小值，而在其它頻段兩次振動波可能相位相同，出現(xiàn)了極大值，導(dǎo)致振動效果增加。而外板的振動加速度級整體沒有太大的變化，在100 Hz～200 Hz之間有所下降，但也是在200 Hz以后有所上升。對于有限長板結(jié)構(gòu)，由于存在結(jié)構(gòu)突變，因此振動波發(fā)生了反射，使得振動能量在結(jié)構(gòu)的某些部位富集，而改變結(jié)構(gòu)的連接形式后，雖然使得部分頻率處的振動反而偏大，但由于“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)相對于部分其他類型的結(jié)構(gòu)能有效阻隔振動波的傳遞，因此整體上來看，“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)是可以降低振動的。

圖8 外板均方速度級對比圖

圖9 外板加速度級對比圖

在進(jìn)行上述分析之后，又設(shè)計了添加阻振質(zhì)量塊的縱桁結(jié)構(gòu)模型。阻振質(zhì)量塊不同于一般的加強筋，加強筋相當(dāng)于在板上添加了一個連續(xù)的線激勵，而阻振質(zhì)量是一個大而重的塊狀物體，其截面一般為矩形、圓柱形和正方形，可以沿著振動波的傳遞途徑布置在板上，用來隔離結(jié)構(gòu)聲的傳遞。由于阻振質(zhì)量塊偏心布置可以提高部分頻段的隔聲量[10]；因此，建立的四種模型阻振質(zhì)量塊全部為偏心布置。圖10為將雙層底縱桁上的加強筋換成四種不同的阻振質(zhì)量塊后的示意圖。1號為添加同向的阻振質(zhì)量塊的縱桁，2號為添加反向阻振質(zhì)量塊的縱桁，3號為添加同向一半的阻振質(zhì)量塊的縱桁，4號為添加反向一半的阻振質(zhì)量塊的縱桁。

圖10 添加四種阻振質(zhì)量塊的縱桁

針對以上四種雙層底的模型，分別進(jìn)行數(shù)值仿真計算。艙段兩端固支，激勵力為基座面板上0～400 Hz的單位力，采用直接計算法得到每個頻率處激勵點、基座底部評價點和殼體上63個評價點的速度、加速度。然后將所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到外板的平均速度和加速度。圖11和圖12分別為四種阻振質(zhì)量塊的外板加速度級和均方速度級。

由圖11和圖12可以看出，整體上添加阻振質(zhì)量塊后的曲線變化趨勢基本一致，在某些頻段降低了振動效果，所不同的是共振峰的數(shù)量和幅值也有所變化。在40 Hz～90 Hz以及300 Hz～400 Hz頻段內(nèi)，前兩種都比原艙段有所降低，而后兩種布置方式在某些峰谷頻率處，外板加速度級有0～5 dB的降低。另外，整體上來看，前兩種方案比后兩種方案較好，原因是前兩種的偏心距較大，阻振效果明顯。

圖11 四種阻振質(zhì)量塊的艙段外板加速度級對比圖

圖12 四種阻振質(zhì)量塊的艙段外板均方速度級對比圖

2.2 復(fù)合肋板結(jié)構(gòu)振動特性研究

針對雙層底內(nèi)橫向布置的肋板，利用在振動波的傳遞途徑上設(shè)置結(jié)構(gòu)來阻隔振動波的傳遞，提出了兩種方案，一種為在肋板中間加橫向的加強筋，另外一種將橫向的加強筋替換成阻振質(zhì)量塊。如圖13所示。

圖13 兩種肋板

第一種方案又分別采用3種型號的球扁鋼來研究其對艙段振動特性的影響。采用數(shù)值仿真來計算得到艙段外板的振動均方速度級和外板加速度級。

圖14和圖15分別為第一種方案的三種球扁鋼加強筋的外板均方速度級和加速度級對比圖。可以看出曲線基本沒有大的變化，只是在個別頻率處有所不同，12號球扁鋼加強筋在250 Hz～350 Hz內(nèi)有0～1.5 dB的降低，是因為球扁鋼類似于阻振質(zhì)量塊，大型號的球扁鋼偏心距較大且質(zhì)量較大，而增大質(zhì)量和增大偏心距可以有更好的隔振效果。

圖14 三種球扁鋼的外板均方速度級對比圖

圖15 三種球扁鋼的外板加速度級對比圖

圖16和圖17是將兩種方案與原艙段進(jìn)行對比的外板加速度級與均方速度級對比圖。整體上來看外板的加速度級變化不大，但是在0～200 Hz的峰值頻率處，加筋和加阻振質(zhì)量塊使峰值有一定的上升或下降，也就是使共振處的幅值增大。對于圖17，在曲線的第一個共振峰處，加筋和加阻振質(zhì)量塊都使曲線峰值增加了8 dB，其它的共振頻率都有所移動，可能是在原艙段基礎(chǔ)上增加了新的結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)特性發(fā)生改變，導(dǎo)致最大速度的發(fā)生頻率變化。加阻振質(zhì)量塊在100 Hz～170 Hz之間外板均方速度級有所降低，而加筋方案卻有一定的增加。但是在240 Hz以后加筋方案的外板均方速度級有所降低。說明加筋和增加阻振質(zhì)量對于阻隔振動波的傳遞在特定的頻段具有一定的效果，在低頻段，阻振質(zhì)量塊的減振效果不理想。

3 結(jié)語

本文應(yīng)用阻抗失配和波型轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行水面艦船雙層底結(jié)構(gòu)的隔振設(shè)計。在雙層底振動噪聲的傳遞途徑中，構(gòu)造降低振動波傳遞的“┻┳”結(jié)構(gòu)和添加使阻抗失配的阻振質(zhì)量塊，以阻斷振動噪聲的傳遞。使用數(shù)值仿真方法計算了隔振設(shè)計前后艙段結(jié)構(gòu)的振動性能，結(jié)果表明：在雙層底內(nèi)部構(gòu)造“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)阻抗也隨之發(fā)生變化，從而產(chǎn)生阻抗失配，這樣在部分頻段能有效的阻斷振動波的傳遞，且阻振質(zhì)量的偏心布置和增大阻振質(zhì)量都會在一定程度上提高隔振效果。

圖16 加筋與加阻振質(zhì)量塊的外板加速度級對比圖

圖17 加筋與加阻振質(zhì)量塊的外板加速度級對比圖

[1]陳美霞，駱東平，楊叔子.殼間連接形式對雙層殼聲輻射性能的影響[J].振動與沖擊，2005，24(5)：77-80.

[2]梁德利，計方，葉曦.阻振質(zhì)量復(fù)合托板減振效果試驗研究[J].振動與沖擊，2012，31(14)：107-111.

[3]姚熊亮，計方，錢德進(jìn).艦船阻振質(zhì)量剛性隔振特性研究[J].中國艦船研究，2010，5(5)：15-21.

[4]田正東，計方.阻振質(zhì)量剛性隔振在艦船基座結(jié)構(gòu)中應(yīng)用研究[J].船舶力學(xué)，2011，15(8)：906-914.

[5]嚴(yán)濟(jì)寬.隔振降噪技術(shù)的新進(jìn)展[J].噪聲與振動控制，1991(5)：11-16.

[6]劉見華.船結(jié)構(gòu)聲傳遞的阻抑機理及應(yīng)用研究[D].上海：上海交通大學(xué)船舶與建筑學(xué)院，2003.

[7]石勇，朱錫，胡忠平.方鋼剛性減振結(jié)構(gòu)對組合板振動影響的計算分析[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報，2003，15(2)：45-49.

[8]王強勇，于博天，金葉青.艦船剛性阻振質(zhì)量復(fù)合托板隔振特性優(yōu)化設(shè)計[J].噪聲與振動控制，2010，30(S1)：29-32.

[9]康逢輝.艦船基座結(jié)構(gòu)連接形式聲學(xué)設(shè)計應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[10]計方.船體結(jié)構(gòu)聲波特性及阻波技術(shù)應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

Analysis of Vibration Isolation Characteristics for Composite Double-layer Infrastructures of Naval Vessels

ZHU Cheng-lei,WEIQiang,ZHENG Chao-fan,WENG Zhang-zhuo
(China’s Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China)

To improve the sound stealth performance of naval vessels,a typical double-layer infrastructure was studied for the vessels.The“┻┳”shaped linking structure,which has smaller wave refraction effect in a wide frequency range, was constructed in longerons and ribs of the double-layer infrastructure.The eccentric mass blocks,which have good vibration isolation effects,were added to the infrastructure.The finite element method was used to simulate the vibration characteristics of the infrastructure.The results show that the“┻┳”shaped linking structure built in the double-layer infrastructure can increase the structural impedance greatly and yield impedance mismatch,so that the transmission rate of vibration can be reduced.And the eccentric blocking mass and gaining weight can improve the effect of the vibration isolation.Thus, it is verified that the double-layer infrastructure has good sound stealth performance for naval vessels.

vibration and wave;double-layer infrastructure;mass blocks;sound stealth performance

TB52；U661.44

：A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.003

1006-1355(2015)01-0012-06

2014－04－25

朱成雷(1989－)，男，河南南陽人，碩士研究生，主要研究方向為：艦船聲隱身。E-mail:zhuchenglei@yeah.net

魏強，高級工程師、博士生導(dǎo)師。