閆超群，王韶楓，王志剛，曲佳輝，范國(guó)棟，馬炳杰

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海201108；2.無(wú)錫齊耀華東隔振科技有限公司，江蘇 無(wú)錫214000）

根據(jù)機(jī)械振動(dòng)理論，提高機(jī)械的系統(tǒng)阻尼可以大大衰減機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)水平。通過(guò)在結(jié)構(gòu)件上粘附阻尼材料結(jié)構(gòu)層，可增加結(jié)構(gòu)件的阻尼性能，提高其抗振性和穩(wěn)定性[1]。而阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的影響主要是在共振區(qū)，此區(qū)域正是我們最關(guān)注的區(qū)域[2]。附加阻尼結(jié)構(gòu)尤其是自由阻尼結(jié)構(gòu)，在不改變?cè)O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，能顯著降低輻射噪聲，容易實(shí)現(xiàn)且成本低，而且不會(huì)顯著地增加結(jié)構(gòu)的的重量，符合發(fā)動(dòng)機(jī)小型化、輕量化應(yīng)用要求[3-5]。

熱氣機(jī)作為特種船舶使用的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)其振動(dòng)噪聲性能具有嚴(yán)格的要求。熱氣機(jī)作為外燃機(jī)和柴油機(jī)相比，因燃燒過(guò)程是在過(guò)量空氣下的連續(xù)燃燒，無(wú)氣門(mén)結(jié)構(gòu)，無(wú)爆燃，運(yùn)行平穩(wěn)振動(dòng)小，故而輻射噪聲較低。而油底殼作為薄壁構(gòu)件，其剛度低、面積大，噪聲輻射效率高，在整機(jī)輻射噪聲中占比更大，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中又受到體積和質(zhì)量的制約，為進(jìn)一步降低熱氣機(jī)的振動(dòng)進(jìn)而提高聲隱性能，現(xiàn)對(duì)其油底殼貼敷新型阻尼材料，與以往阻尼材料相比該新型阻尼材料具有密度更小、彈性模量更大的特點(diǎn)。當(dāng)油底殼受到激勵(lì)力而振動(dòng)時(shí)，阻尼層隨油底殼的變形，產(chǎn)生交變的應(yīng)力和應(yīng)變從而起到減振和阻尼的作用[1]。本文利用該新型阻尼材料的特點(diǎn)，研究其減振規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)：自由阻尼層貼覆厚度較小時(shí)油底殼也能產(chǎn)生很好的減振效果，并將貼覆優(yōu)值厚度阻尼層的油底殼裝機(jī)測(cè)試其降噪效果。

1 自由阻尼層結(jié)構(gòu)減振的Oberst 梁理論

文獻(xiàn)[6-7]中的阻尼合金和文獻(xiàn)[8-9]中的纖維復(fù)合材料，這些材料作為基底材料貼覆自由阻尼層時(shí)其損耗因子可利用修正公式計(jì)算[10]。但此油底殼結(jié)構(gòu)是鑄鋁材料，它的損耗因子同阻尼層相比可以忽略不計(jì)，可由以下公式推得[1,11]

式中：ηb，ηd分別表示復(fù)合結(jié)構(gòu)和阻尼層的損耗因子；Ed，Es分別表示阻尼材料和結(jié)構(gòu)的模量；而Id，Is則表示以復(fù)合結(jié)構(gòu)中線計(jì)算出的截面慣性矩。

從式（1）中可以看出，復(fù)合結(jié)構(gòu)的損耗因子既是阻尼厚度的函數(shù)，也是阻尼層模量比的函數(shù)，若想達(dá)到ηb→ηd的阻尼效果，除了要求阻尼材料自身具有高阻尼外，還對(duì)阻尼層厚度提出了要求。

圖1給出了自由阻尼層的損耗因子比與厚度和模量比的變化規(guī)律，觀察曲線可發(fā)現(xiàn)，只有在Ed/Es和阻尼層厚度都達(dá)到一定值時(shí)才具有顯著的工程意義。

而此次試驗(yàn)油底殼貼敷的新阻尼材料的彈性模量較大，通過(guò)此曲線規(guī)律也為試驗(yàn)時(shí)阻尼層貼敷的厚度起到了關(guān)鍵指導(dǎo)作用。

2 無(wú)阻尼層結(jié)構(gòu)油底殼計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

圖1 自由阻尼層損耗因子隨厚度和模量比的變化

進(jìn)行模態(tài)分析的目的是：通過(guò)模態(tài)分析得到油底殼模態(tài)頻率，在后續(xù)的油底殼振動(dòng)響應(yīng)分析中重點(diǎn)關(guān)注自由阻尼層對(duì)油底殼在模態(tài)頻率點(diǎn)附近振動(dòng)衰減的效果，以滿足油底殼對(duì)模態(tài)頻率附近振動(dòng)幅值控制的要求；試驗(yàn)?zāi)B(tài)得到的阻尼參數(shù)還可以用于后續(xù)計(jì)算模型的輸入，便于進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算。

試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)量采用錘擊法模態(tài)測(cè)試，并先通過(guò)有限元計(jì)算找到最適合的模態(tài)參考點(diǎn)，試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)量完成后再通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)?zāi)B(tài)和計(jì)算模態(tài)振型，相互驗(yàn)證以防丟失模態(tài)。各階計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率的對(duì)應(yīng)通過(guò)比較兩者模態(tài)振型確定，振型相同則為同一階模態(tài)，圖2是兩者前3 階模態(tài)振型對(duì)比結(jié)果，而油底殼前12階模態(tài)頻率具體結(jié)果如表1所示。

表1 計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率結(jié)果對(duì)比

在試驗(yàn)?zāi)B(tài)的頻響函數(shù)中發(fā)現(xiàn)了油底殼的懸掛系統(tǒng)頻率為10 Hz 左右，滿足是第1 階彈性頻率的10%～20%，符合試驗(yàn)?zāi)M自由邊界的要求。計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率之間誤差很小，說(shuō)明了對(duì)油底殼有限元計(jì)算模型處理的合理性。

圖2 油底殼前3階計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型對(duì)比

3 隨機(jī)激勵(lì)下振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量方法

由于油底殼模態(tài)頻率豐富，為對(duì)比有、無(wú)阻尼層結(jié)構(gòu)在其全頻域的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，研究自由阻尼層對(duì)油底殼的具體減振效果，現(xiàn)采用激振器激勵(lì)的方法產(chǎn)生白噪聲信號(hào)作用在油底殼上。在白噪聲激勵(lì)力的作用下，油底殼在各階固有頻率處就可能產(chǎn)生共振響應(yīng)，通過(guò)測(cè)量油底殼各板面的振動(dòng)響應(yīng)值，就能得到阻尼層對(duì)油底殼各部位振動(dòng)阻斷和耗散的具體效果。

油底殼整體尺寸為：長(zhǎng)×寬=1 128×470 mm，主厚度為4 mm。激振器激勵(lì)點(diǎn)（P點(diǎn)）選在油底殼安裝面螺紋孔附近，以模擬其實(shí)際安裝時(shí)螺栓作用力所在位置，這是油底殼振動(dòng)激勵(lì)力實(shí)際的位置；從油底殼每個(gè)板面各選取了一個(gè)測(cè)點(diǎn)，五個(gè)測(cè)點(diǎn)（1#－5#）具體布置位置如圖3所示。設(shè)計(jì)阻尼層厚度的最佳值，試驗(yàn)測(cè)量了油底殼在無(wú)阻尼層結(jié)構(gòu)和貼敷3 mm、6 mm、9 mm 阻尼層后的振動(dòng)響應(yīng)。

圖3 振動(dòng)響應(yīng)各測(cè)點(diǎn)測(cè)量布置圖

圖4是各個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同阻尼層厚度下的振動(dòng)響應(yīng)的對(duì)比，圖中只給出各個(gè)測(cè)點(diǎn)垂直于油底殼板面方向的振動(dòng)響應(yīng)。

從圖4中可以看出：

（1）振動(dòng)響應(yīng)大的位置都在模態(tài)頻率附近，但有些模態(tài)未被激起，這是因?yàn)椋弘m然模態(tài)是全局特性，但不同位置處的剛度不同，所以部分測(cè)點(diǎn)的某些階模態(tài)可能激不起來(lái)或者振動(dòng)幅值較小；論文只給出垂直于板面方向的振動(dòng)響應(yīng)，在觀察油底殼振型動(dòng)畫(huà)時(shí)發(fā)現(xiàn)部分測(cè)點(diǎn)橫縱方向振動(dòng)明顯，其垂直于板面方向振動(dòng)沒(méi)被激起，這是由于模態(tài)具有矢量性。

（2）部分測(cè)點(diǎn)10 Hz左右有響應(yīng)峰值，這是彈性繩模擬自由邊界時(shí)產(chǎn)生的測(cè)試系統(tǒng)懸掛頻率所致。貼敷阻尼層后，油底殼各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)的幅值在全頻段基本都有不同幅度的減小，尤其在其共振頻率附近及800 Hz 以后振動(dòng)響應(yīng)峰值大幅降低，這說(shuō)明阻尼對(duì)共振頻率點(diǎn)和高頻衰減效果尤為明顯。

（3）隨著阻尼層厚度增加，明顯可看出共振頻率在減小，原因有兩個(gè)：

1) 是因?yàn)樽枘釋觿偠缺然鶎咏Y(jié)構(gòu)的剛度小很多，阻尼層厚度的增加對(duì)油底殼重量的影響遠(yuǎn)大于剛度的影響這使得模態(tài)頻率降低，這表明了阻尼層的阻尼特性；

2)是因?yàn)樽枘岬脑龃箅m不會(huì)影響模態(tài)頻率但會(huì)降低共振頻率，所以共振峰會(huì)左移。此外，阻尼材料的彈性模量和損耗因子也會(huì)隨激勵(lì)頻率變化，但對(duì)共振頻率的影響都小于質(zhì)量增加的影響，最終導(dǎo)致各階共振頻率左移[4]。

圖5是全頻段振動(dòng)響應(yīng)總值在各個(gè)測(cè)點(diǎn)不同阻尼層厚度下的對(duì)比，圖中給出了各個(gè)測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程的RMS值。

從圖5中可以看出：

（1）阻尼層對(duì)油底殼振動(dòng)衰減的效果非常明顯，在6 mm時(shí)其對(duì)各板面油底殼的振動(dòng)衰減幅度很大。當(dāng)阻尼層厚度達(dá)到9 mm時(shí)，阻尼對(duì)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)一步衰減的幅度較小，說(shuō)明6 mm時(shí)達(dá)到了優(yōu)值。這是因?yàn)樵撔滦妥枘岵牧蠌椥阅Ａ枯^大，從阻尼層損耗因子隨厚度和模量比的變化曲線也可看出，在Ed/Es≥10-2，當(dāng)h2/h1=2 時(shí)基本已經(jīng)達(dá)到ηb→ηd的阻尼效果，繼續(xù)增加阻尼層厚度也基本不能較大程度地衰減振動(dòng)，所以利用該新型阻尼材料小密度、大彈性模量的特點(diǎn)在兼顧油底殼輕量化的設(shè)計(jì)的同時(shí)亦可達(dá)到理想的減振效果。

圖4 各測(cè)點(diǎn)不同阻尼層厚度振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

圖5 各測(cè)點(diǎn)在不同阻尼層厚度振動(dòng)響應(yīng)總值對(duì)比

（2）已有的油底殼自由阻尼層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大都是通過(guò)改變阻尼層厚度來(lái)達(dá)到減振效果，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：自由阻尼層厚度和彈性模量應(yīng)該采用匹配設(shè)計(jì)的思路，可以在滿足減振效果的同時(shí)兼顧到油底殼輕量化要求。

5 有、無(wú)自由阻尼層的油底殼噪聲對(duì)比

熱氣機(jī)油底殼在貼覆自由阻尼層后對(duì)振動(dòng)具有明顯的衰減效果，在掌握阻尼層參數(shù)對(duì)振動(dòng)衰減的規(guī)律后，為進(jìn)一步得到阻尼層對(duì)油底殼噪聲的衰減效果，現(xiàn)對(duì)貼覆6 mm厚阻尼層的油底殼進(jìn)行裝機(jī)測(cè)試，在油底殼兩側(cè)板和兩端板1 m 遠(yuǎn)處各取一個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量其噪聲聲壓級(jí)。由于篇幅所限測(cè)試只給出最終的結(jié)果，有、無(wú)阻尼層結(jié)構(gòu)油底殼噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表2示。

從表中可以看出：油底殼貼覆阻尼層后油底殼輻射噪聲降低顯著，達(dá)到了2.58 dB，這說(shuō)明整個(gè)阻尼層厚度的選取對(duì)減振、降噪來(lái)說(shuō)都很恰當(dāng)，同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了新型阻尼材料可以利用其低密度、大彈性模量的特點(diǎn)，在阻尼層厚度達(dá)到較小值時(shí)依然可以使主結(jié)構(gòu)達(dá)到較好的減振降噪效果。這對(duì)于對(duì)輕量化設(shè)計(jì)要求很高的動(dòng)力機(jī)械來(lái)說(shuō)有較大的實(shí)用意義。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析和臺(tái)架試驗(yàn)，從自由阻尼層原理出發(fā)，對(duì)比分析了某型熱氣機(jī)油底殼在不同阻尼層厚度下的減振效果，總結(jié)了新型阻尼材料對(duì)油底殼減振的規(guī)律，提出了自由阻尼層厚度和彈性模量匹配設(shè)計(jì)的思路，并已將其應(yīng)用于某新型大功率熱氣機(jī)的低噪聲設(shè)計(jì)中。根據(jù)論文的理論和試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

（1）理論指導(dǎo)實(shí)踐，通過(guò)對(duì)自由阻尼層減振原理的分析，根據(jù)阻尼材料的參數(shù)可大致確定涂層的厚度，減小盲目性，對(duì)最終選用貼敷阻尼層厚度具有重要的指導(dǎo)作用。

表2 有、無(wú)阻尼層結(jié)構(gòu)油底殼噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比/dB

（2）貼敷的新型阻尼材料密度小、彈性模量大，即使減小貼敷的厚度也能達(dá)到很好的減振效果，這有利于減輕油底殼的重量，符合輕量化設(shè)計(jì)理念，也不致油底殼模態(tài)頻率降低太多?？梢钥闯鲑N敷新型阻尼材料對(duì)降低油底殼等薄殼、大面積類(lèi)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，效果明顯、經(jīng)濟(jì)適用。

（3）在對(duì)該新型大功率熱氣機(jī)比功率指標(biāo)要求越來(lái)越高的研究背景下，應(yīng)用新型阻尼材料，通過(guò)其大彈性模量特性進(jìn)一步挖掘貼覆自由阻尼層復(fù)合結(jié)構(gòu)的損耗因子，提高其阻尼特性，克服了已有的自由阻尼層貼覆過(guò)厚才能達(dá)到的阻尼減振效果，提出了油底殼阻尼層彈性模量和厚度匹配設(shè)計(jì)的低噪聲設(shè)計(jì)思路。通過(guò)熱氣機(jī)整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比，熱氣機(jī)油底殼貼覆的新型材料自由阻尼層，使得油底殼噪聲降低2.58分貝，達(dá)到了低噪聲設(shè)計(jì)要求。