方媛媛， 茅凱杰， 夏兆旺， 劉周益

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 ,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

艦船艙筏和上層建筑隔振系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

方媛媛1,2， 茅凱杰2， 夏兆旺2， 劉周益2

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 ,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

針對(duì)艦船艙筏和上層建筑隔振系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究，分別研究了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓逃刑匦院透粽裣到y(tǒng)振動(dòng)傳遞率特性。結(jié)果表明：艙筏隔振系統(tǒng)和上層建筑整體隔振系統(tǒng)的一階固有頻率實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果誤差分別為1.2%和2.2%；艙筏隔振系統(tǒng)的振級(jí)落差實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果比仿真結(jié)果低2～5 dB，上層建筑整體隔振系統(tǒng)的振級(jí)落差實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果比仿真結(jié)果高3～5 dB，但仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢都基本一致。

艦船; 艙筏; 上層建筑; 隔振

0 引 言

艦船的隱身性能是艦船生命力的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。艦船在中低速航行時(shí)，振動(dòng)噪聲主要是艦船機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的[2-3]。結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲通過支撐基座、管路系統(tǒng)及空氣傳向艦體及其上層建筑[4-5]，其中結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲主要通過支撐基座傳輸[6-7]。傳統(tǒng)的隔振能在一定程度上降低振動(dòng)的傳遞，但是已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代海戰(zhàn)的要求；艦船的抗沖擊性能是艦船生命力的另一個(gè)重要指標(biāo)[8-11]。艦艇及其機(jī)電設(shè)備都要求具備一定的抗沖擊性能，以抵御各種武器接觸爆炸和非接觸爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷[12]。艙筏隔振系統(tǒng)既能有效的降低振動(dòng)噪聲的傳遞，又能提高艦船的抗沖擊性能，目前如何設(shè)計(jì)出隔振性能更加優(yōu)良的艙筏隔振系統(tǒng)越來越受到關(guān)注[13-16]。

本文以某型艦船為研究對(duì)象，對(duì)影響艦船生命力的隱身性能與抗沖擊性能開展研究。首先，對(duì)艦船按比例縮小和簡化的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行機(jī)艙艙筏整體隔振和上層建筑整體隔振設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)測量得到隔振系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性。其次，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑵溆邢拊Ｐ停瑢?duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，計(jì)算其振動(dòng)傳遞特性。最后，比較艦船隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果，驗(yàn)證有限元法參數(shù)設(shè)置和簡化方法的可行性。

1 艦船艙筏和上層建筑隔振系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用正弦掃描信號(hào)，它要求信號(hào)發(fā)生器在數(shù)秒內(nèi)掃過整個(gè)測試所需要的頻段，以便獲得具有平譜的激勵(lì)力，從而達(dá)到寬頻帶激勵(lì)。這種方法能獲得的平譜，在整個(gè)測試頻段內(nèi)，激勵(lì)能量相同，因而可以提高頻響函數(shù)的測量精度。

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎媚撑灤瑢?shí)際模型按1∶30縮小后的簡化模型，艦船模型制作時(shí)盡量模擬了實(shí)船，并按照相似性原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，使在模型上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以轉(zhuǎn)換到實(shí)船。模型制作遵循材料在彈性范圍內(nèi)沒有明顯的蠕變；材料各向同性，機(jī)械性能好；材料滿足虎克定律；便于各類傳感器的安裝；加工工藝好等原則，采用鋼質(zhì)材料，總質(zhì)量為200 kg左右。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)包含激勵(lì)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、放大系統(tǒng)、信號(hào)分析系統(tǒng)。激勵(lì)系統(tǒng)主要包括信號(hào)源、功率放大器和激振器。信號(hào)源提供的信號(hào)較弱；功率放大器能將激勵(lì)信號(hào)放大，從而推動(dòng)激振器。傳感系統(tǒng)主要包括傳感器、電荷放大器等。信號(hào)分析系統(tǒng)是將經(jīng)電荷放大器增強(qiáng)的傳感器信號(hào)進(jìn)行測量、分析與存儲(chǔ)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中對(duì)頻率響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行測量時(shí)，一般使用隨機(jī)激勵(lì)方法。因本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅容^大，用錘擊方法能量耗散很快，而采用寬頻帶的快速正弦掃描激勵(lì)，此方法能不斷地供給，而且在某些個(gè)特定頻率上還可輸入更大的能量，信噪比較高，可以保證在低頻響應(yīng)時(shí)的測試精度。主要試驗(yàn)儀器及設(shè)備有CF-5220多功能信號(hào)分析儀、激振器、功率放大器、加速度傳感器、電荷放大器和阻抗頭。

實(shí)驗(yàn)所用的激勵(lì)工具是BK4808電磁激振器，由其產(chǎn)生的激勵(lì)力通過柔性激振桿作用于艦船底甲板上,見圖2。激勵(lì)信號(hào)是由CF-5220多功能信號(hào)分析儀內(nèi)部的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，并由功率放大器放大后輸入電磁激振器。振動(dòng)信號(hào)由力傳感器和加速度傳感器檢測，通過電荷放大器放大后，輸入CF-5220信號(hào)分析儀。從信號(hào)分析儀得到的船模型任意兩點(diǎn)間的振動(dòng)傳遞特性。整個(gè)測試系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 激振器激勵(lì)位置

圖3 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有限元分析

利用ANSYS建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠邢拊?jì)算模型，其中包括艙筏隔振系統(tǒng)和上層建筑隔振系統(tǒng)。在建模過程中，主要考慮模型參數(shù)的設(shè)計(jì)以及模型的簡化。小電動(dòng)機(jī)采用六面體體元對(duì)其建模，其單元類型均為Solid45；筏架與船體基座采用四邊形殼體單元進(jìn)行建模，其單元類型為Shell63；彈性隔振器選擇Combine14彈性阻尼單元，必須建立3個(gè)重疊的單元模擬3個(gè)方向的彈簧剛度。艙筏隔振系統(tǒng)各部份材料的彈性模量和泊松比分別為206 GPa和0.3，浮筏與船體基座材料密度為7 800 kg/m3，同時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組通過相同型號(hào)的4個(gè)彈性隔振器對(duì)稱安裝在筏體上，中間筏體再通過4個(gè)彈性隔振器對(duì)稱安裝在試驗(yàn)船模船體基座上。彈性隔振器的參數(shù)如表1所示。

表1 彈性隔振器參數(shù) N/mm

實(shí)驗(yàn)上層建筑隔振設(shè)計(jì)中考慮到獲得較大的橫向剛度保證其穩(wěn)定性，采用橡膠隔振器，設(shè)計(jì)時(shí)以靜剛度為準(zhǔn)。上層建筑隔振器的布置，如圖4所示，總共12個(gè)隔振器安裝在上層建筑底座對(duì)稱分布，隔振器的參數(shù)分別為:隔振器的尺寸20 mm×30 mm×15 mm,彈性模量39.6 MPa,密度1 003 kg/m3。

圖4 上層建筑隔振器的布置圖

建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娜邢拊Ｐ腿鐖D5所示,包括8 958個(gè)單元和8 143個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娜邢拊Ｐ?/p>

為了更好地了解實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭?dòng)力學(xué)特性，利用有限元軟件ANSYS的Lanczos算法，對(duì)上述有限元模型進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，如圖6所示。

(a) 船體上層建筑繞x軸搖擺(8.45 Hz)

(b) 船體上層建筑垂向振動(dòng)(9.45 Hz)

(c) 船體一垂彎(173.334 Hz)

(d) 船體一扭(210.46 Hz)

(e) 船體一側(cè)彎(269.3 Hz)

(f) 船體二彎曲(478.5 Hz)

圖6 實(shí)驗(yàn)船模的典型模態(tài)

振動(dòng)模態(tài)主要體現(xiàn)為水平面和垂直面的彎曲模態(tài)以及扭轉(zhuǎn)模態(tài)。船體上層建筑繞x軸搖擺的一階模態(tài)的頻率為8.45 Hz，垂向振動(dòng)模態(tài)頻率為9.45 Hz。船體一垂彎模態(tài)頻率為173.334 Hz，船體一扭模態(tài)頻率為210.46 Hz，船體一側(cè)彎模態(tài)頻率為269.3 Hz。隨著頻率的上升,出現(xiàn)船體的二彎、二扭、三彎等典型振型。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果分析

利用有限元軟件ANSYS對(duì)實(shí)驗(yàn)艦船模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析，得出有限元法實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼駝?dòng)傳遞率特性。其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量得到的艦船傳遞率特性進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證有限元法分析的模型參數(shù)設(shè)置和簡化方法的可行性。圖7為兩種方法的機(jī)艙艙筏隔振主機(jī)的振動(dòng)傳遞率特性對(duì)比：實(shí)驗(yàn)測量所得的系統(tǒng)第1階固有頻率94 Hz和有限元仿真計(jì)算所得的95 Hz相近，誤差為1.2%。實(shí)驗(yàn)測量所得的振級(jí)落差比模擬計(jì)算所得的振級(jí)落差平均要低2～5 dB。但仿真計(jì)算所得的振級(jí)落差和實(shí)驗(yàn)測量所得的趨勢基本一致。

圖7 實(shí)驗(yàn)艦船模型艙筏隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性

兩種方法得到的上層建筑整體隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率特性如圖8所示。實(shí)驗(yàn)測量所得的系統(tǒng)第1階固有頻率45 Hz與有限元仿真計(jì)算所得的46 Hz相近，誤差為2.2%。實(shí)驗(yàn)測量所得的上層建筑隔振系統(tǒng)的振級(jí)落差比仿真計(jì)算所得的振級(jí)落差平均要高3～5 dB。但與艙筏隔振系統(tǒng)相似，仿真計(jì)算的振級(jí)落差和實(shí)驗(yàn)所得的趨勢基本一致。其中的誤差包括實(shí)驗(yàn)測量時(shí)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差，和在仿真計(jì)算時(shí)，由于船模簡化造成一定的誤差。

圖8 艦船模型上層建筑隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性

4 結(jié) 語

本文針對(duì)某型艦船設(shè)計(jì)加工了縮比模型，對(duì)其艙筏和上層建筑隔振系統(tǒng)進(jìn)行了有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：上層建筑和艙筏隔振系統(tǒng)的振級(jí)落差仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有3～5 dB的誤差，但是仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢都基本一致；模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加光滑，主要原因是仿真模型比較理想化，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)中設(shè)備的連接等都沒有達(dá)到理想狀態(tài)的約束。如何構(gòu)建準(zhǔn)確的仿真模型，準(zhǔn)確建立結(jié)構(gòu)之間的約束條件是后續(xù)工作的方向。

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ExperimentalStudyofCabinwithFloat-raftandSuperstructureVibrationIsolationSystem

FANGYuanyuan1,2,MAOKaijie2,XIAZhaowang2,LIUZhouyi2

(1. School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China；2. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China)

The simulation analysis and experimental study of the vibration isolation system in the ship cabin and superstructure are carried out. The nature characteristics and the vibration transfer rate of vibration isolation system are studied. The results show that the first natural frequency error of the cabin raft and superstructure vibration isolation system between the experimental and simulation results are 1.2% and 2.2%, respectively. The experimental vibration level difference of cabin raft isolation system is 2-5 dB lower than the simulation result, and the vibration level difference of the whole superstructure system is 3-5 dB higher than simulation results. But, the simulation results and experimental results are basically identical.

warship; cabin raft; superstructure; vibration isolation

TB 535

A

1006-7167(2017)09-0014-03

2016-12-15

江蘇省高校自然科學(xué)基金項(xiàng)目(16KJA580002);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2017232)

方媛媛(1982-)，女，山東德州人，博士，講師，主要從事船舶振動(dòng)與噪聲控制方向的研究。Tel.:15061491562;E-mail：fangyy82@163.com