劉艷敏，鄒明松

(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

0 引言

基座是艦艇上保證動(dòng)力設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)牢固安裝的主要連接構(gòu)件，同時(shí)也是振源設(shè)備機(jī)械振動(dòng)傳遞到船體的重要結(jié)構(gòu)。動(dòng)力設(shè)備一般通過隔振器安裝在各自的基座上，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)向其他船體結(jié)構(gòu)傳遞，最終引起艇體向水中的輻射噪聲。因此，對位于艦艇內(nèi)的基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振降噪設(shè)計(jì)，是降低艦艇機(jī)械噪聲重要途徑之一。

近年來，關(guān)于艦艇內(nèi)部基座振動(dòng)響應(yīng)的研究主要致力于兩個(gè)方面。一方面是研究可應(yīng)用于解決耦合內(nèi)部基座結(jié)構(gòu)的艦艇振動(dòng)與聲輻射的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[1]提出了水彈性子結(jié)構(gòu)分離及集成方法。該方法計(jì)算效率高，適用于船體內(nèi)部子結(jié)構(gòu)(如橫艙壁、鋪板、基座)與主船體之間的振動(dòng)噪聲傳遞效果分析及優(yōu)化。文獻(xiàn)[2]采用有限元數(shù)值方法計(jì)算基座對殼體激勵(lì)力，由解析給出殼體的振動(dòng)及聲輻射，對內(nèi)部含基座的加強(qiáng)筋雙層殼的振動(dòng)與聲輻射特性進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[3]聯(lián)合應(yīng)用聲固耦合法和統(tǒng)計(jì)能量法，基于ABAQUS/VA ONE，對基座結(jié)構(gòu)含阻振質(zhì)量帶的動(dòng)力艙段減振降噪效果進(jìn)行了全頻段數(shù)值分析。文獻(xiàn)[4]基于波動(dòng)理論，探討了阻振質(zhì)量對典型船體連接結(jié)構(gòu)中振動(dòng)波傳遞的阻抑特性，兼顧基座阻振質(zhì)量布置工藝，開展了阻振質(zhì)量偏心距對其隔振特性的影響。另一方面是探究新的可應(yīng)用在艦艇基座上的減振材料形式。文獻(xiàn)[5]提出了一種復(fù)合材料腹板與鋼質(zhì)阻振質(zhì)塊相結(jié)合的新型機(jī)械設(shè)備振動(dòng)隔離基座形式，采用通過非線性擬合阻抗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)識別與有限元模擬相結(jié)合的方法，解決了建立膠接部阻抗矩陣的難題。文獻(xiàn)[6]利用蜂窩多孔材料良好的抗沖擊吸能特性，設(shè)計(jì)具有宏觀負(fù)、正泊松比效應(yīng)的新型船用抗沖擊與低頻隔振性能兼顧的蜂窩基座。文獻(xiàn)[7]提出了三明治夾芯基座形式，通過對基座的阻抗阻尼設(shè)計(jì)，三明治夾芯基座能夠有效地衰減高頻駐波，具有良好的隔振效果。

本文立足于大尺度船舶試驗(yàn)平臺工程應(yīng)用需求，基于ABAQUS建立電機(jī)基座與其所在動(dòng)力艙段以及全船三維動(dòng)力學(xué)模型，以側(cè)掛式電機(jī)基座為研究對象，計(jì)算不同結(jié)構(gòu)形式基座對應(yīng)的面板與耐壓殼上的振動(dòng)響應(yīng)，比較分析了面板結(jié)構(gòu)形式、腹板結(jié)構(gòu)形式對設(shè)備激勵(lì)基座所引起的振動(dòng)響應(yīng)特性的影響；在總結(jié)計(jì)算結(jié)果與規(guī)律的基礎(chǔ)上，對原始設(shè)計(jì)的電機(jī)基座結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種可降低振動(dòng)響應(yīng)的、重量相對較輕的側(cè)掛式電機(jī)基座結(jié)構(gòu)形式，并最終將其應(yīng)用在實(shí)船的設(shè)計(jì)與建造中。

1 船體及基座結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模

1.1 船體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模

基于ABAQUS建立全船三維動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，結(jié)構(gòu)形式在某大尺度船舶試驗(yàn)平臺的基礎(chǔ)上做適當(dāng)簡化。三維模型涉及的結(jié)構(gòu)要素有：耐壓殼及其環(huán)肋骨、輕外殼及其加強(qiáng)筋、艙壁及其加強(qiáng)筋、指揮臺圍殼及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各主要艙內(nèi)結(jié)構(gòu)。

全船三維動(dòng)力學(xué)模型的單元總數(shù)為75 224，B31型(梁單元)單元數(shù)為6 438，S 4R型(四邊形殼單元)單元數(shù)為67 750，S 3型(三角形殼單元)單元數(shù)為6 036。艙內(nèi)支柱及部分非強(qiáng)構(gòu)件采用梁單元建模，其他大多數(shù)結(jié)構(gòu)采用殼單元建模。設(shè)備質(zhì)量以非結(jié)構(gòu)質(zhì)量的方式施加在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)表面，舷間水質(zhì)量以非結(jié)構(gòu)質(zhì)量的形式按比例施加在輕外殼與耐壓殼上。

建模計(jì)算過程中涉及到的主要力學(xué)性能參數(shù)如下：楊氏模量2.1×1011N/m2，泊松比0.3，體密度7 800 kg/m3，阻尼損耗因子0.02。

1.2 基座結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模

為比較基座結(jié)構(gòu)形式對振動(dòng)響應(yīng)特性的影響，本文分別建立四種側(cè)掛式基座模型，基座結(jié)構(gòu)主要差別在于面板形式和腹板形式的變換，以及不同面板與腹板結(jié)構(gòu)形式的組合。

圖1為基座結(jié)構(gòu)形式一，即基座的原始結(jié)構(gòu)形式，是設(shè)計(jì)初期提出的側(cè)掛式電機(jī)基座的結(jié)構(gòu)形式。側(cè)掛式基座包括三個(gè)子基座，從船艏到船艉依次標(biāo)記為基座1、基座2、基座3。圖2為基座結(jié)構(gòu)形式二，在原始基座形式的基礎(chǔ)上增加面板沿船長方向的尺寸，本文中將其稱為“長面板式基座”。圖3為基座結(jié)構(gòu)形式三，在原始基座形式的基礎(chǔ)上增加腹板沿型深方向的尺寸，本文中將其稱為“長腹板式基座”。圖4為基座結(jié)構(gòu)形式四，在原始基座形式的基礎(chǔ)上同時(shí)增加腹板沿型深方向的尺寸和面板沿船長方向的尺寸，本文中將其稱為“組合式基座”。

建模過程中，在各基座面板上對應(yīng)的螺栓安裝孔處設(shè)置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，作為振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算時(shí)激勵(lì)力的輸入端以及基座面板上振動(dòng)響應(yīng)提取時(shí)的參考點(diǎn)。

2 振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算分析

2.1 計(jì)算工況

以本文提出的四種基座結(jié)構(gòu)形式為研究對象，基于所建立的全船三維動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型數(shù)值仿真平臺，進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算。在計(jì)算過程中分別對三個(gè)子基座面板施加單位集中力，振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算工況描述見表1。

圖4 基座結(jié)構(gòu)形式四

工況激勵(lì)位置激勵(lì)力方向激勵(lì)力大小1基座1面板螺栓安裝孔(共4個(gè)安裝孔)垂直于基座面板向下每個(gè)安裝孔處1/4N2基座2面板螺栓安裝孔(共8個(gè)安裝孔)垂直于基座面板向下每個(gè)安裝孔處1/8N3基座3面板螺栓安裝孔(共4個(gè)安裝孔)垂直于基座面板向下每個(gè)安裝孔處1/4N

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

按照表1所描述的工況進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，分別計(jì)算各工況所對應(yīng)的基座面板上的振動(dòng)加速度級以及耐壓殼上的均方振動(dòng)加速度級，并將三組優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式的響應(yīng)結(jié)果與原始結(jié)構(gòu)形式的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較，對不同基座結(jié)構(gòu)形式減振效果進(jìn)行說明。

基座上振動(dòng)響應(yīng)評價(jià)點(diǎn)取面板上輸入激勵(lì)點(diǎn)，振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果以加速度級的形式給出。耐壓殼上振動(dòng)響應(yīng)評價(jià)點(diǎn)在基座所在艙段的每個(gè)肋位上、中、下位置取三個(gè)點(diǎn)，振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果以均方加速度級的形式給出。

基座面板振動(dòng)加速度級表達(dá)式為：

(1)

式中：M為評價(jià)點(diǎn)數(shù)目；a0為基準(zhǔn)加速度，a0=1×10-6m/s2；ai為基座面板上第i個(gè)評價(jià)點(diǎn)的振動(dòng)加速度。

耐壓殼上振動(dòng)加速度級表達(dá)式為：

(2)

四種不同基座結(jié)構(gòu)形式、各工況相應(yīng)的基座上的振動(dòng)加速度級曲線如圖5～圖7所示，各工況相應(yīng)的耐壓殼上的均方振動(dòng)加速度級曲線如圖8～圖10所示。

圖5 基座振動(dòng)加速度級(工況1基座1)

圖6 工況2基座2振動(dòng)加速度級

從振動(dòng)加速度級曲線上可以看出，無論是基座面板上的振動(dòng)加速度響應(yīng)還是耐壓殼上的振動(dòng)加速響應(yīng)，其他三種結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)形式一(原始結(jié)構(gòu))相比有不同程度降低，尤其在110～150 Hz頻段范圍內(nèi)，降低更為顯著；振動(dòng)加速度級曲線降低的幅度從大到小依次是：結(jié)構(gòu)形式四、結(jié)構(gòu)形式三、結(jié)構(gòu)形式二。

圖7 基座振動(dòng)加速度級(工況3基座3)

圖8 耐壓殼振動(dòng)加速度級(工況1)

圖9 耐壓殼振動(dòng)加速度級(工況2)

圖10 耐壓殼振動(dòng)加速度級(工況3)

從計(jì)算結(jié)果可以看出，增加腹板沿型深方向的尺寸可以比增加面板沿船長方向的尺寸達(dá)到更為顯著的減振效果；上述通過計(jì)算得到的不同結(jié)構(gòu)形式基座振動(dòng)響應(yīng)的規(guī)律與結(jié)論，可為基座結(jié)構(gòu)方案的改進(jìn)提供一定參考依據(jù)。

3 電機(jī)基座結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

以降低振動(dòng)響應(yīng)為基本原則，兼顧減輕結(jié)構(gòu)重量考慮，提出側(cè)掛式電機(jī)基座優(yōu)化方案。

設(shè)計(jì)初期的側(cè)掛式電機(jī)基座結(jié)構(gòu)形式如圖11所示，其中面板厚度統(tǒng)一為40 mm，腹板厚度統(tǒng)一為20 mm。根據(jù)對不同結(jié)構(gòu)形式基座的振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算分析得出的規(guī)律結(jié)論對基座結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，即增加基座腹板沿型深方向的尺寸，并在腹板上加設(shè)肘板。優(yōu)化后的側(cè)掛式基座結(jié)構(gòu)形式如圖12所示，其中面板厚度統(tǒng)一為30 mm，腹板厚度統(tǒng)一為8 mm，優(yōu)化后的基座結(jié)構(gòu)重量減輕約30%。

圖11 原始基座結(jié)構(gòu)形式

圖12 優(yōu)化基座結(jié)構(gòu)形式

5～150 Hz頻段原始電機(jī)基座結(jié)構(gòu)形式與優(yōu)化改進(jìn)后的電機(jī)基座結(jié)構(gòu)形式對應(yīng)的耐壓殼均方振動(dòng)加速度級曲線如圖13所示。從曲線趨勢可以看出，優(yōu)化后的基座耐壓殼上的加速級整體上比原始基座結(jié)構(gòu)對應(yīng)的加速級小，尤其是80～150 Hz降低較為顯著。

計(jì)算兩種結(jié)構(gòu)形式對應(yīng)的耐壓殼振動(dòng)加速度的總振級，結(jié)果見表2。5～80 Hz頻段范圍內(nèi)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)比原始結(jié)構(gòu)加速度總振級降低約4 dB；80～150 Hz頻段范圍內(nèi)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)比原始結(jié)構(gòu)加速度總振級降低約10 dB；5～150 Hz頻段范圍內(nèi)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)比原始結(jié)構(gòu)加速度總振級降低約10 dB；從計(jì)算頻段范圍對比結(jié)果來看，優(yōu)化改進(jìn)后的基座結(jié)構(gòu)形式減振效果比較理想。

圖13 優(yōu)化前后耐壓殼均方加速度級對比

頻段范圍/Hz5～1505～8080～150原始結(jié)構(gòu)總振級/dB91.767.895.7優(yōu)化結(jié)構(gòu)總振級/dB81.563.785.4

4 結(jié)語

本文建立涵蓋主要結(jié)構(gòu)要素的某大尺度船舶試驗(yàn)平臺全三維動(dòng)力激勵(lì)模型，并以此為數(shù)值仿真平臺，計(jì)算并分析了側(cè)掛式電機(jī)基座原始結(jié)構(gòu)形式、長腹板式結(jié)構(gòu)形式、長面板結(jié)構(gòu)形式、組合結(jié)構(gòu)形式等四種基座結(jié)構(gòu)形式的振動(dòng)響應(yīng)特性。結(jié)果表明：增加腹板沿型深方向的尺寸可以比增加面板沿船長方向的尺寸達(dá)到更為顯著的減振效果。同時(shí)，本文根據(jù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果與規(guī)律，提出了一種優(yōu)化改進(jìn)的電機(jī)基座結(jié)構(gòu)形式，該優(yōu)化基座結(jié)構(gòu)在重量上較原始基座結(jié)構(gòu)減輕約30%，5～150 Hz頻段范圍內(nèi)耐壓殼上的加速度總振級較原始結(jié)構(gòu)形式降低約10 dB，達(dá)到了較為理想的減振效果。本文所開展的相關(guān)計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，可為艦艇類似基座結(jié)構(gòu)的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的借鑒與參考。