萬(wàn)新斌1，楊銘1，張雅瓊，饒柱石

(1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.上海交通大學(xué)，上海 200240)

為增強(qiáng)船舶的聲隱身性能和改善船員的工作環(huán)境，需要針對(duì)船上的動(dòng)力設(shè)備采取必要的減振隔振措施。浮筏隔振能基本原理是將多臺(tái)設(shè)備布置在同一個(gè)筏架上，使作用在筏架上的擾動(dòng)力相互抵消，減少機(jī)組向基礎(chǔ)輻射的振動(dòng)能量。

當(dāng)前對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)隔振效果的研究主要采用基于機(jī)械阻抗理論分析[1]結(jié)合有限元方法[2]、四端參數(shù)法[3]和功率流[4]等方法進(jìn)行，其中采用有限元方法對(duì)浮筏系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后，參數(shù)設(shè)置和調(diào)節(jié)方便，易于總結(jié)隔振規(guī)律，應(yīng)用最為廣泛。已有學(xué)者對(duì)隔振器剛度阻尼特性[5-6]、基礎(chǔ)彈性[7]，以及隔振器布置形式[8]對(duì)隔振效果的影響進(jìn)行了探討，指出改善系統(tǒng)隔振降噪能力需要綜合考慮筏架剛度、筏架阻尼等參數(shù)[9]。

由于浮筏上機(jī)組的數(shù)量、設(shè)備的特性，以及工況不同，針對(duì)特定的情況需要具體分析[10]。雖然浮筏隔振系統(tǒng)在理論上能布置多臺(tái)設(shè)備，但在以往的研究中往往以同一型號(hào)的兩臺(tái)設(shè)備為分析對(duì)象。結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際需求，考慮對(duì)一個(gè)由兩臺(tái)滑油泵組和三臺(tái)燃油泵組構(gòu)成的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)兩種浮筏隔振系統(tǒng)，一種是將各個(gè)設(shè)備分別彈性安裝在筏架上，另一種是將設(shè)備固定在公共基座上后再和筏架彈性連接。運(yùn)用ANSYS對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析。

1 浮筏隔振模型分析

將某船主機(jī)艙內(nèi)兩臺(tái)主機(jī)滑油預(yù)供泵和三臺(tái)主機(jī)燃油供給泵的振動(dòng)性能布置在同一浮筏上。泵組技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 1。

表1 泵組技術(shù)參數(shù)

兩種浮筏設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。

圖1 兩種浮筏隔振系統(tǒng)方案

方案一:將5臺(tái)泵組(m1至m5)都通過(guò)上層隔振器(k1)彈性安裝于同一個(gè)中間筏架(M1)上，再通過(guò)下層隔振器(k0)與基礎(chǔ)連接。

方案二:將5臺(tái)設(shè)備先通過(guò)螺栓剛性安裝在一個(gè)公共基座(M11)上，并將公共基座通過(guò)上層隔振器(k2)彈性安裝在中間筏架(M12)上，再通過(guò)下層隔振器(k0)與基礎(chǔ)連接。

根據(jù)其外形尺寸對(duì)泵組(包括泵、電機(jī)、聯(lián)軸器及泵組底座)建立三維實(shí)體模型，進(jìn)行適當(dāng)?shù)刃幚?，為泵、電機(jī)和底座賦予不同的密度實(shí)現(xiàn)泵組模型的質(zhì)量和質(zhì)心與實(shí)際保持一致。為了得到較少、精細(xì)的網(wǎng)格，同時(shí)具有較高的計(jì)算精度，采用殼單元SHELL281，根據(jù)笩架的實(shí)際尺寸進(jìn)行笩架的建模。根據(jù)實(shí)際厚度，為對(duì)應(yīng)的殼單元賦予厚度屬性。在浮筏上還布置有一段管路，也利用有限元軟件建模實(shí)現(xiàn)。管路固定在浮筏或公共基座上，并與泵組通過(guò)撓性接管連接，因此，在有限元模型中設(shè)定管路與浮筏或公共基座剛性連接，而與泵組分離。隔振器采用彈簧單元COMBIN14建模，在每個(gè)隔振器的上表面及下表面的中心位置分別建立節(jié)點(diǎn)，連接每個(gè)隔振器的上下兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，建立三個(gè)彈簧單元，分別模擬隔振器三個(gè)方向的剛度。設(shè)置隔振器的阻尼比為0.06，其他阻尼忽略。得到有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型

2 模態(tài)分析

2.1 筏架模態(tài)分析

建立筏架有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 筏架有限元模型

對(duì)筏架在自由狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)分析，得到前10階固有頻率見(jiàn)表2，其中前6階剛體模態(tài)頻率為零。

表2 浮筏固有頻率fn

設(shè)備轉(zhuǎn)速均為950 r/min，對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率一倍頻為15.83 Hz。兩個(gè)方案中第一階彈性模態(tài)約為22 Hz，實(shí)際安裝時(shí)，在筏架的基腳螺栓處都施加了固定約束，其彈性模態(tài)的固有頻率還會(huì)顯著上升。因此，在低頻段，設(shè)計(jì)的筏架的固有頻率避開(kāi)了設(shè)備的激勵(lì)頻率，來(lái)自設(shè)備的激勵(lì)不會(huì)引起筏架明顯的彈性變形。

2.2 整體模態(tài)分析

將模型下層隔振器的底部施加3個(gè)方向的固定約束，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析。考慮到設(shè)備視為剛體，中間筏架彈性模態(tài)的固有頻率較高，因此，系統(tǒng)的低階模態(tài)主要描述了各子結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況。在方案一中，5臺(tái)設(shè)備和浮筏，一共有6個(gè)子結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)有6個(gè)自由度，因此該模態(tài)共有36個(gè)。同理可知，方案二中由于設(shè)備通過(guò)公共基座剛性連接在了一起，該模態(tài)有12個(gè)。系統(tǒng)模態(tài)頻率值見(jiàn)表3。

通常在設(shè)備布置時(shí)需要使激勵(lì)頻率和系統(tǒng)固有頻率相互錯(cuò)開(kāi)一定頻段，以免發(fā)生共振。本系統(tǒng)兩型泵組轉(zhuǎn)速均為950 r/min，對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率為15.83 Hz。根據(jù)上述結(jié)果可以看出，在方案一中將多臺(tái)設(shè)備分別安裝于一個(gè)浮筏上，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在4.5～26.3 Hz范圍內(nèi)固有頻率密集，難以將固有頻率和激勵(lì)頻率有效隔開(kāi)。而將這些設(shè)備先布置在一個(gè)公共基座上，低頻段的固有頻率數(shù)量減少，容易實(shí)現(xiàn)將固有頻率與激勵(lì)頻率避開(kāi)。

表3 浮筏隔振系統(tǒng)固有頻率fn

3 隔振性能分析

3.1 隔振量計(jì)算方法

浮筏隔振系統(tǒng)的隔振性能常用隔振量來(lái)表示，對(duì)于頻率一定的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，位移、速度和加速度的隔振量均相等。本案例在計(jì)算上層隔振器隔振效果時(shí)，采用設(shè)備和浮筏重心位置的位移作為考察量。由于浮筏隔振系統(tǒng)與基礎(chǔ)固支，在計(jì)算浮筏隔振系統(tǒng)的隔振效果時(shí)，考察的是力的傳遞率，即采用激勵(lì)力與支反力振動(dòng)量級(jí)作為考察量。定義如下傳遞函數(shù)。

(1)

式中：|X(f)|為隔振系統(tǒng)輸出端響應(yīng)幅值；|Y(f)|為隔振系統(tǒng)輸入端響應(yīng)幅值；f為激勵(lì)頻率。當(dāng)H(f)為負(fù)值時(shí)，表明傳遞的力的幅值較激勵(lì)力幅值降低，系統(tǒng)體現(xiàn)出隔振性能，故定義系統(tǒng)在不同激勵(lì)頻率下的隔振量為

T(f)=-H(f)

(2)

對(duì)模型的基礎(chǔ)進(jìn)行固定約束，根據(jù)GJB 763.2—1989《艦船噪聲限值和測(cè)量方法 艦船設(shè)備結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度驗(yàn)收限值》標(biāo)準(zhǔn)的要求，在設(shè)備重心處施加指定頻率和幅值的諧波力激勵(lì)，每次分析完畢，提取基礎(chǔ)處支反力。計(jì)算時(shí)考慮最?lèi)毫拥那闆r，提取所有隔振器支反力中的最大值，所反映的為隔振器的隔振量最小值。本算例中，主機(jī)燃油供給泵工況為兩用一備，主機(jī)滑油預(yù)供泵巡航不考慮，故在左右兩臺(tái)主機(jī)燃油泵的重心處同時(shí)施加規(guī)定的力載荷，計(jì)算得到基礎(chǔ)響應(yīng)最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隔振效率。

3.2 計(jì)算結(jié)果

選取激勵(lì)頻率為1/3倍頻程的中心頻率，計(jì)算10 Hz～10 kHz頻率范圍內(nèi)的系統(tǒng)響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表4 。

表4 系統(tǒng)諧波激勵(lì)響應(yīng)

根據(jù)項(xiàng)目要求劃分低中高頻段，并按照分頻段范圍計(jì)算隔振效果，隔振效果見(jiàn)表5。

表5 分頻段隔振效果

根據(jù)表 4中10～25 Hz頻段數(shù)據(jù)，結(jié)合表 3固有頻率分布情況，可以看出系統(tǒng)剛體固有頻率分布對(duì)系統(tǒng)的隔振效果產(chǎn)生了顯著的影響。根據(jù)表5中兩個(gè)方案計(jì)算結(jié)果可以看出，方案二相對(duì)于方案一，在低頻段分頻段隔振量較高，公共基座對(duì)于提高低頻段隔振效果具有較好效果；而在中、高頻段其分頻段隔振效果相對(duì)偏低，但隔振量絕對(duì)量級(jí)已經(jīng)滿(mǎn)足普通設(shè)備正常運(yùn)行的要求。

4 抗沖擊性能分析

4.1 大質(zhì)量法計(jì)算沖擊響應(yīng)

釋放施加在基礎(chǔ)處的固支約束，在基礎(chǔ)附加一個(gè)大質(zhì)量點(diǎn)(MASS21)，并設(shè)置該節(jié)點(diǎn)處質(zhì)量遠(yuǎn)大于浮筏隔振系統(tǒng)(約為其質(zhì)量的105倍)，利用公式F=ma，將加速度轉(zhuǎn)化為力施加在基礎(chǔ)處。

定義縱向?yàn)檠卮聂剪悍较?，垂向?yàn)榇怪彼椒较?，橫向?yàn)榇膶挾确较?。?duì)基礎(chǔ)處分別添加垂向、橫向和縱向的外力沖擊載荷。假定沖擊輸入為垂向：A0=320 g，V0=7 m/s，D0=4.3 cm。橫向和縱向：A0=284g，V0=6 m/s，D0=3 cm，參照BV043/85艦艇建造規(guī)范[14]將沖擊譜轉(zhuǎn)換為雙三角形加速度時(shí)間歷程曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 沖擊譜等效加速度時(shí)間歷程曲線

4.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)比方案一與方案二滑油預(yù)供泵和燃油供給泵加速度時(shí)間歷程和相對(duì)于基礎(chǔ)位移時(shí)間歷程?；皖A(yù)供泵m4重心處橫向、縱向與垂向加速度響應(yīng)時(shí)間歷程見(jiàn)圖 5。燃油供給泵m1重心處橫向、縱向與垂向加速度響應(yīng)時(shí)間歷程見(jiàn)圖6。5臺(tái)泵組重心處相對(duì)于基礎(chǔ)位移的時(shí)間歷程見(jiàn)圖 7。

根據(jù)圖5和圖6的結(jié)果，提取泵組在3個(gè)方向上加速度最大值的結(jié)果，得到兩個(gè)方案的抗沖擊效果見(jiàn)表6。項(xiàng)目要求設(shè)備的許用最大抗沖擊值垂向不大于40g，橫向和縱向不大于16g。方案一中左、右兩臺(tái)燃油供給泵的縱向最大加速度為16.1g>16g，略超許用抗沖擊要求。方案二中所有設(shè)備在3個(gè)方向上的最大加速度均滿(mǎn)足許用抗沖擊要求。

根據(jù)圖7結(jié)果提取泵組相對(duì)于基礎(chǔ)最大位移，最大位移出現(xiàn)在正向三角波激勵(lì)作用的時(shí)刻，且在方案一中最大位移值為橫向31 mm，縱向29 mm，垂向29 mm；在方案二中最大位移值為橫向29 mm，縱向29 mm，垂向42 mm。在考慮泵組接管時(shí)，撓性接管的許用位移應(yīng)大于該值。

圖5 滑油預(yù)供泵加速度時(shí)間響應(yīng)

圖6 燃油供給泵加速度時(shí)間歷程

圖7 方案一與方案二泵組相對(duì)于基礎(chǔ)位移的時(shí)間歷程

表6 沖擊結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

從隔振性能的角度看，浮筏系統(tǒng)中各子結(jié)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的模態(tài)頻率較低，對(duì)低頻段的隔振效果有明顯的影響。采用公共基座的方式提高了系統(tǒng)的固有頻率，對(duì)于提高低頻段隔振性能有較好的效果，但同時(shí)會(huì)降低中高頻段的隔振效果。由于中高頻段隔振性能裕度較大，采用公共基座方式的浮筏隔振整體效果較優(yōu)。

從抗沖擊性能的角度看，采用公共基座的方式，設(shè)備承受的沖擊加速度更小，設(shè)備在受瞬時(shí)沖擊力作用被破壞的可能性降低；同時(shí)產(chǎn)生的沖擊位移更大，對(duì)管路撓性接管提出了更高要求。