基于ADAMS建模的浮筏隔振系統仿真研究

季夏名

摘 要：利用ADAMS軟件與有限元軟件相結合，建立剛柔耦合浮筏隔振系統模型。文章以功率流作為浮筏隔振系統的性能評價指標，研究了該模型在不同參數條件下的隔振性能，并與理論仿真結果進行對比分析，驗證了模型的可靠性。對于構建復雜筏架的浮筏系統有一定的參考價值。

關鍵詞：剛柔耦合；浮筏隔振系統；功率流；建模

引言

目前，浮筏隔振系統已經成為艦船動力設備的重要隔振手段，它與一般的隔振系統相比更能節省空間和中間質量，同時結構更加緊湊，此外浮筏隔振系統具有優良的減振降噪效果，從而有效地增強水下艦艇的隱蔽性與舒適度。對于浮筏隔振裝置的理論與試驗研究是近年來隔振領域的研究熱點之一[1-4]。浮筏是將包括主機在內的多臺重型設備安裝在同一筏架上，因而它是具有多個激勵源的隔振系統，其筏架及基礎板的載重大，幾何尺寸也較大，要真實反映出浮筏隔振系統的動力學特性，剛柔耦合分析必不可少。同時作為一個復雜的三維結構，其隔振效果的評估方法也需要進一步研究。

振動的傳遞主要就是能量的傳遞，從能量角度研究振動問題更能反映問題的本質。功率流作為一個反映能量的物理量，可以作為一個綜合性能指標，它兼顧了力和速度的信息，給出了振動傳遞的一個絕對度量的物理量。對于浮筏系統的設計具有更有利的指導意義。

同時，由于艦船隔振系統較為大型，想要進行實驗研究比較困難，成本昂貴，所以在理論設計階段既需要理論分析，又要進行相關的軟件仿真，從而實現驗證理論解和降低實驗成本的目標。對于浮筏系統的仿真研究以Patran等有限元軟件和Autosea統計能量軟件為主，但大量的研究證明[5-7]：一方面，有限元方法主要針對單獨結構中的靜力和動力學問題，無法滿足多體剛柔耦合系統的建模分析要求；另一方面，有限元方法適用于低頻段，統計能量法適用于高頻段，可是沒有統一的方法能夠對中間頻段進行研究分析。因此，本文考慮通過ADAMS軟件與有限元軟件結合，建立剛柔耦合浮筏隔振系統模型，以功率流為評價指標計算不同參數條件下的振動特性，并將仿真結果與理論解進行對比分析。

1 浮筏隔振系統動力學模型及其功率流導出

對于工程中常見的浮筏隔振裝置，其模型如圖1所示，包括兩臺機組、梁式筏架以及四邊簡支的彈性基礎，兩個剛性機組分別通過兩個上層隔振器安裝在彈性筏架上，然后筏架再通過兩個下層隔振器安裝在彈性基礎上。可以將整個浮筏隔振系統分為5個子系統，分別為（ⅰ）機組子系統A，（ⅱ）上層隔振器B，（ⅲ）中間筏架子系統C，（ⅳ）下層隔振器D，（ⅴ）基礎子系統E。兩臺機組分別受到來自y方向和z方向的簡諧激勵力以及x方向的傾覆力矩作用。

圖1 浮筏隔振系統動力學模型

圖2 各子系統之間力與速度的傳遞關系

用 分別表示各個子系統A，B，C，D的上、下端輸入輸出力，而 分別對應了他們上下端的輸入輸出速度。對應彈性基礎E受到的力與響應速度分別記為FE和VE。 分別為各子系統的導納傳遞矩陣元素。圖2表示了各子系統之間力與速度的傳遞關系。各子系統導納矩陣推導過程詳見文獻[8，9]。

浮筏隔振系統各子系統之間的傳遞力以及相應的速度之間的關系如下：

根據上式以及各子系統導納矩陣相關表達式，可以得到各交接處力與速度有關于外激勵的表達式為

其中

輸入各子系統的功率流PA，PB，PC，PD，PE分別可以表示為

式中，上標H表示共軛轉置。

2 基于剛柔耦合浮筏隔振系統建模

該模型是在ADAMS/View模塊中建立的，它是ADAMS核心模塊之一。用戶可以像建立物理樣機一樣建立任何機械系統的虛擬樣機，而后對其進行模擬仿真，并能以動畫形式觀察主要的數據變化以及模型的運動，就像做實際的機械系統試驗一樣。

圖3 浮筏隔振系統ADAMS模型

如圖3所示，其中柔性基礎簡化為四邊簡支的板，而筏架為四邊自由的柔性板。隔振器簡化為彈簧阻尼器，其彈簧剛度與阻尼系數可以通過編寫函數來確定，能很方便的實現隔振器的線性與非線性特性。

在ADAMS中對柔性體的處理采用了有限元法與模態分析法相結合的方法。先由有限元軟件ansys對柔性體進行模態分析，生成.mnf文件，利用ADAMS/Flex模塊將此文件調入ADAMS中以生成模型中的柔性體，利用模態疊加法計算其在動力學仿真過程中的變形及連接節點上的受力情況，這樣可以在機械系統的動力學模型中引入柔性體，提高系統仿真精度。

ADAMS軟件中帶有振動分析模塊ADAMS/Vibration，利用該模塊，可以對模型進行頻域分析。

3 浮筏隔振系統計算及仿真分析

建立ADAMS浮筏隔振系統虛擬樣機模型如圖3所示，A子系統為剛性質量塊，考慮到結構重心的調配，所以設定為兩臺相同的機組，并且將它們相對于筏架進行對稱分布；B子系統為連接機組與筏架的隔振器，共兩組，每組四個；此處C子系統為柔性板式筏架，自由邊界；D子系統為筏架和基礎板間的隔振器，共四個，對稱分布；E子系統為柔性基礎板，四邊簡支。樣機具體物理參數見表1。

除前六階剛體模態，各取筏架及基礎板前八階彈性振動模態，基準功率流為pref=10-12watt。

圖4（a）與（b）分別為ADAMS建模與理論解在機器質量改變時，傳遞到基礎的功率流變化情況。從圖中可以看出，它們的共同點是增大機器質量系統的剛體運動模態向低頻域偏移，并使得傳遞到基礎的功率流曲線在中、高頻域整體下移。兩種仿真結果均表明：增大機器質量有利于減少輸入基礎的功率流，提高系統的減振效果。

a） ADAMS建模仿真

b） 理論建模仿真

圖4 機器質量對輸入基礎功率流的影響

4 結束語

首先，從仿真圖中可以看出在低頻域，浮筏隔振系統的減振效果欠佳，當激勵力頻率超過20Hz以后，系統功率流發生明顯下降，大幅提升隔振降噪效果。所以，浮筏隔振系統在中、高頻域有很好的減振效果。

在相同的結構形式以及激勵條件下，增大機器質量可以讓剛體運動模態向低頻域偏移，并使得傳遞到基礎的功率流曲線在中、高頻域整體下移，有利于減少輸入到基礎的功率流。但同時也得注意過大的機器質量會增大結構，而艦船的空間載重是有限的，所以也不能一味的增加機器質量。

參考文獻

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