艦船管路閥組單元振動特性分析及結構參數優化研究

楊 波，朱 翔，張贛波

1 海軍駐廣州廣船國際股份有限公司軍事代表室，廣東廣州510382

2 華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢430074

0 引 言

在機械噪聲得到有效控制后，管路系統便成為艦船重要的振動噪聲源［1-2］，大量文獻針對管路系統的振動與噪聲問題開展過研究［3-4］，在管路系統中已采取多種措施降低管路的振動與噪聲，比如管路彈性穿艙件［5］、撓性接管［6-7］和海水消聲器［8］等。泵［9-10］和閥門［11-12］作為管路中必不可少的元件，也是管路系統中主要的激勵源之一。艦船結構上的管路復雜，有些區域為便于制造安裝，會將一系列類似的管路閥門組成一組，形成閥組單元并安裝在同一個閥組架上，然后閥組架再與船體結構相連。流體流經閥門時，會激勵閥門及管路閥架，并將振動通過閥組架傳遞給船體結構。閥組單元的結構形式直接決定了閥組單元的聲振特性。現在某液壓海水管路系統中，由于閥組單元振動過大，振級偏高，因此需要對其振動特性進行分析，并通過仿真對閥組架的主要結構參數進行優化，以降低通過閥組單元傳遞到船體上的聲振動，為艦船減振降噪提供有益的借鑒。

1 閥組單元有限元建模及振動響應計算

1.1 閥組單元有限元建模

在有限元軟件ANSYS 中建立閥組單元的有限元模型。在閥組單元中，采用SOLID45 實體單元模擬閥，并在建模過程中對其進行適當簡化。考慮到建模的一致性，固定和支撐閥的閥組架也采用SOLID45 實體單元模擬。圖1 給出了閥組的有限元模型，閥組架上有5 個閥，其中連接閥的管路未建出。閥組架一般為角鋼焊接而成的框架結構，閥則通過夾環固定在閥組架上并與管路聯通。閥組架焊接在船體舷側結構上，建模時，假設閥組架的邊界為固支邊界條件。初始閥組單元的結構尺寸為：閥架臂長H = 0.60 m，閥間距L =0.16 m，角鋼尺寸規格為50 mm ×50 mm ×4 mm。

圖1 閥組單元有限元模型Fig.1 FE model of pipeline valve units

1.2 閥組單元振動響應計算

在實際管路系統中，閥的激勵源特性往往比較復雜，作為仿真計算和方案對比分析，對振動激勵進行了必要的簡化。假設激勵力為單位大小，方向分別為水平和垂直方向，如圖2 所示。

圖2 施加激勵力方向Fig.2 Direction of applied load

在閥組架上選取5 個測點用于振動響應的評估，如圖3 所示。其中測點1，5 是閥組架與船體舷側結構連接處閥架的折邊角點，測點2，3，4 分布在閥組架上。因為傳遞到船體的振動對船舶的振動與噪聲更為重要，因此，以測點1，5 的振級為主要指標，輔之比較測點2，3，4 的振級。

圖3 測點示意圖Fig.3 Arrangement plan of measured point

在3 個閥上分別施加垂直和水平方向的激勵力，得到各測點在各個方向的合成振動加速度級，激勵頻率范圍為10～1 000 Hz，然后，再對此頻段內的振級進行能量求和，得到頻帶內的總振級。

計算得到了原始閥組單元在1 號、2 號和3 號閥的垂直與水平方向激勵下振動的加速度級，如表1 所示。

表1 初始閥組單元各測點振級Tab.1 Vibration levels of every measured points in original valve units

由表1 可以看出，初始閥組單元各測點的振級都偏高。以計算出的原始閥組聲振性能為參考，可以通過改變閥組單元的結構參數來改善閥組單元的聲振特性。

2 閥組單元結構參數優化分析

根據實際情況可知，閥組單元可改變的主要結構參數包括閥架臂長、閥的布置間距和閥架角鋼型號。現通過改變閥組單元的閥架臂長、閥的布置間距和閥架角鋼型號三組結構參數，研究這些參數變化對閥組單元聲振性能的影響來選出振級較小的閥組單元結構參數。

2.1 閥架臂長對閥組單元聲振性能的影響

閥組架近似為懸臂梁結構，在很小的激勵作用下也會產生較大的振幅。對于懸臂梁結構，臂長是影響結構振動特性的主要參數，故有必要研究不同閥組架臂長對結構聲振特性的影響，選出合適的閥組架臂長尺寸。

根據實際的空間布置情況，選擇H = 0.50，0.55，0.60，0.65，0.70 m 這5個尺寸作為研究對象，計算得到各測點在不同位置和方向激勵下的振動加速度級。圖4 給出了在其他結構尺寸參數不變的情況下，閥架臂長變化時各測點的振級。

圖4 改變閥架臂長時各測點振級Fig.4 Vibration level of measured points with the change of length of valve unit’s frame

從圖中可以發現，當閥架臂長H =0.55 m 時，各測點的振級相對最小。在其他結構尺寸參數不變（閥間距0.16 m，角鋼尺寸規格50 mm × 50 mm×4 mm）的情況下，可選用0.55 m 的閥架臂長作為優化尺寸。

限于篇幅，僅給出了在1 號閥位置進行垂向激勵的情況，其他位置和方向激勵的結果類似。

2.2 閥布置間距對閥組單元聲振性能的影響

在實際工程中，閥間距的選擇具有很大的隨意性。在有限的布置空間內，施工人員按照閥的最小間距比，并考慮方便操作以及美觀等因素來進行閥的安裝，閥的安裝間距主要由施工人員的經驗決定。因此，研究不同閥間距對閥組單元的聲振性能影響是很有必要的。為此，選用了L =0.16，0.18，0.20，0.22，0.24 m 這5 個閥間距作為研究對象。圖5 給出了在其他結構尺寸參數不變時，閥間距變化時各測點的振級結果。

圖5 改變閥組間距時各測點振級Fig.5 Vibration level of measured points with the change of valves’distance

綜合比較可知，當閥間距L = 0.18 m 時，各測點的振級相對最小。在其他結構尺寸參數不變（閥架臂長0.60 m，角鋼尺寸規格50 mm ×50 mm×4 mm）的情況下，可選用0.18 m 作為優化的閥間距。

2.3 閥架角鋼尺寸規格對閥組單元聲振性能的影響

閥組架剛度在很大程度上會影響閥組單元的聲振性能，而制造閥組架的角鋼尺寸規格則直接影響閥組架的剛度。因此，需要研究閥組架角鋼尺寸規格對閥組單元聲振特性的影響。

根據實際常用的角鋼型號，選用40 mm × 40 mm × 4 mm，45 mm × 45 mm × 4 mm，50 mm × 50 mm × 4 mm，56 mm × 56 mm × 4mm 和63 mm × 63 mm × 4 mm 這5 種尺寸規格的角鋼材料作為研究對象，計算得到各測點在1，2，3 號閥的垂直與水平方向激勵下的振動加速度級。圖6 給出了在其他結構尺寸參數不變時，閥組架角鋼尺寸變化時各測點的振級。

圖6 改變角鋼尺寸時各測點振級Fig.6 Vibration level of measured points with the changing of the beam size

由圖6 可以發現，在其他結構參數不變（閥架臂長0.60 m，閥間距0.16 m）的情況下，閥組架角鋼尺寸的變化沒有其他2 種參數變化時對聲振特性的影響大。綜合比較可見，型號為40 mm×40 mm×4 mm 的角鋼尺寸規格使得結構的振級最小。

2.4 組合結構優化參數對閥組單元聲振性能的影響

上述分析都只是改變閥組單元結構的一個尺寸參數，還需要分析各尺寸參數變化對閥組單元聲振性能的綜合影響。綜合以上分析，給出了4種不同的組合結構參數，如表2 所示。

表2 閥組單元組合變化方案列表Tab.2 Cases of valve unit frame with different parameters

對組合參數的閥組單元進行計算，得到了各測點振級。圖7 所示為在組合參數情況下的各測點振級。因測點1，5 在閥架與船體結構連接處，閥組單元的振動會通過閥架傳遞到船體上，故側重比較測點1，5 的振級。綜合比較可以看出，第4種組合方案中，閥組單元測點1，5 的振級均為最小。組合方案4 中，各測點的振級比原始方案均至少低10 dB，靠近船體的測點1，5 的振級甚至比原始方案低30 dB。故選擇閥架臂長H = 0.55 m，閥間距L = 0.18 m，閥架角鋼尺寸規格40 mm ×40 mm ×4 mm 為閥組單元的綜合結構優化參數。

圖7 不同組合方案時各測點振級Fig.7 Vibration level of measured points in different cases

3 結 論

通過以上分別對閥架臂長、閥布置間距以及閥架角鋼尺寸等參數變化對閥組單元聲振特性影響的分析，可得到以下結論：

1）在各種不同位置激勵時，無論是改變閥架臂長、閥布置間距還是閥架角鋼尺寸，閥組模型均為：在閥組架與船體結構相連的附近，其測點（測點1，5）振級最小；在激勵點附近（測點3）和閥架的懸臂處（測點2，4），振級相對較大。這表明閥組單元振動能量的傳遞路徑為閥—閥架—船體結構，這與理論分析相吻合。

2）通過單獨改變閥架臂長參數、閥的間距和閥架角鋼尺寸均可以發現，測點振級隨單一參數改變而引起的變化趨勢并非為單調變化，這是由于改變這些參數后，整個閥組架這一連續系統固有的頻率和剛度均有變化，其聲振特性與閥架臂長等參數間的影響規律很復雜，無法得出閥組振級與參數間的單一變化規律。

3）從測點總振級隨閥架臂長變化的曲線可見，閥架的振級對閥架臂長的變化較為敏感，臂長參數的改變可能會引起閥架振級的顯著變化。與閥架臂長改變引起測點振級變化的敏感程度相比，閥組間距隨步長的變化以及閥組角鋼尺寸變化所引起的同一測點總振級的變化則不是特別明顯。

4）在加工制造管路閥組架時，對閥架臂長的確定需更為慎重。首先，可以通過調整合適的閥架臂長得到振動相對較優的閥架結構，然后，再進一步改變閥組間距和角鋼尺寸，得到更為優化的閥組架。

5）從選取的幾種組合結構優化參數計算結果來看，方案4（閥架臂長0.55 m，閥間距0.18 m，閥架角鋼尺寸規格為40 mm × 40 mm × 4 mm）在典型測點的振級均比其他各方案的小，比原始方案至少小10 dB，這組參數可以作為該管路閥組的結構優化參數。相關的結論可以在模擬試驗臺架中進行驗證。該方法也可以用于其他類似的閥組結構參數設計，以提高低噪聲建造的工藝水平。

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