水面艦船復合雙層底結構隔振特性分析

朱成雷，魏 強，鄭超凡，翁章卓

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

水面艦船復合雙層底結構隔振特性分析

朱成雷，魏 強，鄭超凡，翁章卓

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

為了提高水面艦船的聲隱身性能，對典型的雙層底結構進行了剖析和研究。由于“┻┳”形連接結構在大部分頻率處的透射效率較小，同時偏心阻振質量塊對振動波有較好的阻隔效果。因而，在雙層底的縱桁和肋板上構造“┻┳”形連接結構和添加不同偏心距和重量的阻振質量塊，形成復合的雙層底結構。采用FEM法對改進前后的雙層底結構的振動特性進行數值仿真計算。結果表明：在雙層底內部構造“┻┳”形連接結構使結構發生突變，從而導致結構阻抗也隨之發生變化，產生阻抗失配，這樣在部分頻段就能有效的阻斷振動波的傳遞，而且阻振質量的偏心布置和增大阻振質量也都會在一定程度上提高隔振效果。使之復合雙層底結構的聲隱身性能有可能得以改善。

振動與波；雙層底結構；阻振質量；聲隱身

水面艦船主機、輔機等眾多機械設備在摩擦、沖擊等力的作用下產生的結構振動，主要通過基座—艇體—流場的傳遞途徑以彈性波的方式向外傳遞。縱骨架式雙層底結構是現代水面艦船典型結構形式之一，其中肋板和縱桁是連接內底板和船底板的主要構件，由于這兩種構件的存在，設備激勵經由內底板向船底板傳遞時將在雙層底內部形成混合波的反射、透射和波形轉換。而機械設備振動傳遞到外部殼體上的振動量級在很大程度上決定了低頻噪聲水平，因此雙層底結構對于水面艦船的振動和水下聲輻射有著重要的影響。

目前對潛艇的雙層殼間的托板的減振特性有了一定的研究，文獻[1]研究討論了殼間連接形式變化對雙層圓柱殼的聲輻射性能影響，得到殼間連接越緊密，其輻射聲功率越高。文獻[2]在雙殼舷間結構聲傳遞途徑試驗分析基礎上，提出了阻振質量復合托板結構，驗證了阻振質量復合托板的有效性。阻振方鋼作為一種有效阻隔振動的結構已經廣泛應用在船舶結構上。文獻[3—5]基于波動理論探討了阻振質量對典型船體連接結構中振動波傳遞的阻抑特性，討論了阻振質量偏心布置對其隔振性能的影響。文獻[6-—8]利用有限元軟件檢驗了阻振方鋼的隔振效果，并分析了其結構參數對隔振效果的影響。在此基礎上，本文應用阻抗失配和波型轉換原理進行水面艦船雙層底結構的隔振設計。在雙層底振動噪聲的傳遞途徑中，構造降低振動波傳遞的“┻┳”結構和使阻抗失配的阻振質量塊，以阻斷振動噪聲的傳遞，形成復合雙層底結構，并用數值仿真方法檢驗了復合雙層底剛性隔振設計的有效性。

1 振動控制理論

1.1 船體典型連接結構波動特性

在將“┏┛”形連接結構、“╋”形連接結構、“┻┳”形連接結構、“┻”形連接結構和“┛”形連接結構這幾種典型連接結構中彎曲波—彎曲波透射效率進行計算后發現：當構成連接結構的材料和各板板厚都相同時，不同的連接結構其透射效率相差很大，其中以“┏┛”形連接結構透射效率最大。同時，“┻┳”形連接結構在大部分頻率處都要小于“╋”形連接結構的透射效率，只有在部分頻率處偏大。所以采用“┻┳”形連接結構和“╋”形連接結構能大大降低結構振動波的傳遞，從而降低結構的振動[9]。

1.2 阻振質量阻波特性

作為一種可以有效阻隔結構聲傳遞的結構形式，阻振質量在水面艦船艙壁、基座等結構中得到了廣泛的應用。如果可以在充分了解水面艦船雙層底和其上的基座的振動傳遞分析基礎上，將阻振質量應用于水面艦船雙層底的肋板和縱桁中，形成結構阻抗失配，那么這對水面艦船的雙層底的減振降噪具有重要的工程應用價值。

圖1 五種典型連接結構示意圖

圖2 阻振質量示意圖

對于一個無限長的阻振質量塊布置在無限大的板上，假設有一平面彎曲波從板的左側以角度φ入射阻振質量。板的邊界不存在波的反射，那么根據板和阻振質量的耦合邊界條件等可以得到其透射系數

其中rm為阻振質量的橫截面慣性半徑；kbm為彎曲振動波數；ktm為扭轉振動波數；ρp為板單位面積的質量。

采用隔振度來衡量阻振質量對結構聲的阻抑作用，隔振度越大，抑制作用越強。隔振度公式為

式中φ為透射系數的平均值

圖3 阻振質量隔振度隨頻率變化曲線

圖3所示為阻振質量隔振度隨頻率變化曲線。在全透射頻率以前，阻振質量對彎曲波幾乎沒有隔離作用；在全透射頻率之后，阻振質量對振動噪聲的隔離效果越來越好，激勵頻率到達全阻隔頻率時，阻振質量的隔振效果達到最好。

圖4 偏心阻振質量示意圖

進一步對偏心布置的阻振質量塊的隔振度進行研究可以發現，阻振質量的偏心布置顯著提高了負值低谷頻率以外全頻段的隔振性能。由此，既改善了中低頻隔振性能、拓寬了阻振質量的工作頻率，同時又提高了高頻最大隔聲量的幅值。并且隨著阻振質量塊偏心距的增大，阻振質量對彎曲波的阻抑效果增強。因此，在滿足艇體結構強度及裝配工藝的前提下，建議偏心布置阻振質量塊。

2 復合雙層底結構仿真分析

雖然目前通過理論解析的方法來分析簡單結構中振動波的傳遞非常準確，但是在對稍微復雜一些的結構分析振動波的多向傳播時，就會變得非常困難。因此，在工程實際中一般采用數值仿真的方法來分析復雜結構的振動特性。本文采用有限元法研究中低頻段在水面艦船雙層底中構造“┻┳”結構和阻振質量塊的振動特性。

水面艦船的雙層底結構是由內底板、外底板、肋板、底縱桁、內底縱骨和船底縱骨組成。內底板和外底板均有密集的縱骨支持，可以提高底部的縱向強度。內底板和外底板通過肋板和縱桁相連接。如圖5所示。

圖5 水面艦船雙層底結構示意圖

本艙段是在某艦的基礎上經過簡化而建立的。建立的船體艙段模型如圖6所示，船體艙段長為13 m，船寬20.4 m，艙段高度為14.6 m，基座長為1.3 m，寬為1.8 m，艙段左右對稱，各有一個基座。艙段共有三層甲板和雙層底組成，甲板、雙層底和船體舷側均有肋骨和加強筋增加剛度和強度。其中甲板、舷側和雙層底由SHELL 63單元模擬，肋骨和桁架由BEAM 188單元模擬。船舶結構在進行有限元網格劃分時，其內部結構（包括肋板、肘板、加強筋等）以及船體外表面均采用每個波長范圍有5個節點(4個單元)的網格劃分的原則。但是，為保證數據精確，在計算機計算能力允許的范圍內盡量細化網格，提高網格質量。鋼板中縱波波速為5 439.28 m/s，模型中最小板厚h=8 mm，計算頻率上限為400 Hz時，板中的彎曲波波長為0.447 m，要求單元尺寸最大為0.112 m，本文的網格大小最大為0.1 m，滿足上述要求。

圖6 艙段結構模型

鋼為各向同性材料，參數為：楊氏模量E=2.1× 1011Pa，泊松比γ=0.3，密度ρ=7 860 kg/m3，損耗因子η=0.02。

2.1 復合縱桁結構振動特性研究

采用上述艙段模型，通過改變雙層底的肋板和縱桁的形式，基于數值方法開展“┻┳”結構對艙段振動特性的影響研究。針對雙層底中的縱桁上的球扁鋼的布置形式進行了改變，將其改為“┻┳”形結構（如圖7所示）。

圖7 兩種不同形式的縱桁加筋示意圖

加載過程中，艙段兩端固支，激勵力為基座面板上0～400 Hz的單位力，采用直接計算法計算得到每個頻率處激勵點、基座底部評價點和殼體上63個評價點的速度、加速度。

對于單位力作用下的艙段上的評價點，取1.0×10-18m2/s2為速度平方的參考值，按式(1)計算得到單位力作用下的艙段均方速度級（dB）

對于單位力作用下的艙段上的評價點，取1.0×10-12m2/s2為加速度平方參考值，按式(2)計算得到單位力作用下艙段的振動加速度級（dB）

圖8和圖9為兩種不同形式縱桁的雙層底的外板均方速度級和外板加速度級對比圖。由外板均方速度級對比圖可以看出在反向布置加強筋后在100 Hz～200 Hz之間外板的均方速度級有所下降，平均下降了4 dB，但是200 Hz～380 Hz以后有不同程度的上升。這說明“┻┳”結構對本水面艦船艙段在100 Hz～200 Hz具有較明顯的阻隔振動波的效果。可能是因為在此頻率段內，振動波與全部二次反射振動波的相位相反，從而使得振動波的傳遞效率出現了極小值，而在其它頻段兩次振動波可能相位相同，出現了極大值，導致振動效果增加。而外板的振動加速度級整體沒有太大的變化，在100 Hz～200 Hz之間有所下降，但也是在200 Hz以后有所上升。對于有限長板結構，由于存在結構突變，因此振動波發生了反射，使得振動能量在結構的某些部位富集，而改變結構的連接形式后，雖然使得部分頻率處的振動反而偏大，但由于“┻┳”形連接結構相對于部分其他類型的結構能有效阻隔振動波的傳遞，因此整體上來看，“┻┳”形連接結構是可以降低振動的。

圖8 外板均方速度級對比圖

圖9 外板加速度級對比圖

在進行上述分析之后，又設計了添加阻振質量塊的縱桁結構模型。阻振質量塊不同于一般的加強筋，加強筋相當于在板上添加了一個連續的線激勵，而阻振質量是一個大而重的塊狀物體，其截面一般為矩形、圓柱形和正方形，可以沿著振動波的傳遞途徑布置在板上，用來隔離結構聲的傳遞。由于阻振質量塊偏心布置可以提高部分頻段的隔聲量[10]；因此，建立的四種模型阻振質量塊全部為偏心布置。圖10為將雙層底縱桁上的加強筋換成四種不同的阻振質量塊后的示意圖。1號為添加同向的阻振質量塊的縱桁，2號為添加反向阻振質量塊的縱桁，3號為添加同向一半的阻振質量塊的縱桁，4號為添加反向一半的阻振質量塊的縱桁。

圖10 添加四種阻振質量塊的縱桁

針對以上四種雙層底的模型，分別進行數值仿真計算。艙段兩端固支，激勵力為基座面板上0～400 Hz的單位力，采用直接計算法得到每個頻率處激勵點、基座底部評價點和殼體上63個評價點的速度、加速度。然后將所得到的數據進行處理，得到外板的平均速度和加速度。圖11和圖12分別為四種阻振質量塊的外板加速度級和均方速度級。

由圖11和圖12可以看出，整體上添加阻振質量塊后的曲線變化趨勢基本一致，在某些頻段降低了振動效果，所不同的是共振峰的數量和幅值也有所變化。在40 Hz～90 Hz以及300 Hz～400 Hz頻段內，前兩種都比原艙段有所降低，而后兩種布置方式在某些峰谷頻率處，外板加速度級有0～5 dB的降低。另外，整體上來看，前兩種方案比后兩種方案較好，原因是前兩種的偏心距較大，阻振效果明顯。

圖11 四種阻振質量塊的艙段外板加速度級對比圖

圖12 四種阻振質量塊的艙段外板均方速度級對比圖

2.2 復合肋板結構振動特性研究

針對雙層底內橫向布置的肋板，利用在振動波的傳遞途徑上設置結構來阻隔振動波的傳遞，提出了兩種方案，一種為在肋板中間加橫向的加強筋，另外一種將橫向的加強筋替換成阻振質量塊。如圖13所示。

圖13 兩種肋板

第一種方案又分別采用3種型號的球扁鋼來研究其對艙段振動特性的影響。采用數值仿真來計算得到艙段外板的振動均方速度級和外板加速度級。

圖14和圖15分別為第一種方案的三種球扁鋼加強筋的外板均方速度級和加速度級對比圖。可以看出曲線基本沒有大的變化，只是在個別頻率處有所不同，12號球扁鋼加強筋在250 Hz～350 Hz內有0～1.5 dB的降低，是因為球扁鋼類似于阻振質量塊，大型號的球扁鋼偏心距較大且質量較大，而增大質量和增大偏心距可以有更好的隔振效果。

圖14 三種球扁鋼的外板均方速度級對比圖

圖15 三種球扁鋼的外板加速度級對比圖

圖16和圖17是將兩種方案與原艙段進行對比的外板加速度級與均方速度級對比圖。整體上來看外板的加速度級變化不大，但是在0～200 Hz的峰值頻率處，加筋和加阻振質量塊使峰值有一定的上升或下降，也就是使共振處的幅值增大。對于圖17，在曲線的第一個共振峰處，加筋和加阻振質量塊都使曲線峰值增加了8 dB，其它的共振頻率都有所移動，可能是在原艙段基礎上增加了新的結構，使結構特性發生改變，導致最大速度的發生頻率變化。加阻振質量塊在100 Hz～170 Hz之間外板均方速度級有所降低，而加筋方案卻有一定的增加。但是在240 Hz以后加筋方案的外板均方速度級有所降低。說明加筋和增加阻振質量對于阻隔振動波的傳遞在特定的頻段具有一定的效果，在低頻段，阻振質量塊的減振效果不理想。

3 結語

本文應用阻抗失配和波型轉換原理進行水面艦船雙層底結構的隔振設計。在雙層底振動噪聲的傳遞途徑中，構造降低振動波傳遞的“┻┳”結構和添加使阻抗失配的阻振質量塊，以阻斷振動噪聲的傳遞。使用數值仿真方法計算了隔振設計前后艙段結構的振動性能，結果表明：在雙層底內部構造“┻┳”形連接結構使結構發生突變，從而導致結構阻抗也隨之發生變化，從而產生阻抗失配，這樣在部分頻段能有效的阻斷振動波的傳遞，且阻振質量的偏心布置和增大阻振質量都會在一定程度上提高隔振效果。

圖16 加筋與加阻振質量塊的外板加速度級對比圖

圖17 加筋與加阻振質量塊的外板加速度級對比圖

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Analysis of Vibration Isolation Characteristics for Composite Double-layer Infrastructures of Naval Vessels

ZHU Cheng-lei,WEIQiang,ZHENG Chao-fan,WENG Zhang-zhuo
(China’s Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China)

To improve the sound stealth performance of naval vessels,a typical double-layer infrastructure was studied for the vessels.The“┻┳”shaped linking structure,which has smaller wave refraction effect in a wide frequency range, was constructed in longerons and ribs of the double-layer infrastructure.The eccentric mass blocks,which have good vibration isolation effects,were added to the infrastructure.The finite element method was used to simulate the vibration characteristics of the infrastructure.The results show that the“┻┳”shaped linking structure built in the double-layer infrastructure can increase the structural impedance greatly and yield impedance mismatch,so that the transmission rate of vibration can be reduced.And the eccentric blocking mass and gaining weight can improve the effect of the vibration isolation.Thus, it is verified that the double-layer infrastructure has good sound stealth performance for naval vessels.

vibration and wave;double-layer infrastructure;mass blocks;sound stealth performance

TB52；U661.44

：A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.003

1006-1355(2015)01-0012-06

2014－04－25

朱成雷(1989－)，男，河南南陽人，碩士研究生，主要研究方向為：艦船聲隱身。E-mail:zhuchenglei@yeah.net

魏強，高級工程師、博士生導師。