筏架動態特性對浮筏隔振性能的影響分析

劉祥珺

(海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司 軍事代表室， 上海200129)

?

筏架動態特性對浮筏隔振性能的影響分析

劉祥珺

(海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司 軍事代表室， 上海200129)

摘要大型筏架的低頻動態特性對浮筏隔振裝置的隔振效果有一定影響。為分析該問題，基于阻抗理論建立了機組-浮筏-基座系統的動力學分析模型，以船用大型機組的浮筏隔振裝置為研究對象，通過數值計算分析了筏架彈性、質量分布、阻尼等動態特性對隔振效果的影響。結果表明，筏架彈性振動模態頻率附近的隔振效果降低，提高筏架、基座及船體結構的固有頻率有利于提高浮筏的隔振效果；筏架內填充物盡量集中于隔振器安裝腳附近可提高隔振效果；增加筏架阻尼僅可提高筏架彈性模態頻率處的隔振效果。

關鍵詞浮筏動力學隔振阻抗

0引言

機械噪聲是中低航速工況下艦艇水下輻射噪聲的重要組成部分。機電設備振動經由隔振裝置→設備基座→船體結構，進而引起輻射噪聲。為控制此類振動噪聲，工程中通常采用在機電設備與設備基座之間設置隔振裝置的方案。其中，浮筏是一種有效的隔振裝置，在船舶工程中的應用越來越多。理論上講，浮筏隔振裝置屬于雙級隔振。若筏架首階彈性振動模態頻率足夠高，在低于該頻率的頻段內筏架可以近似為剛體。此時，同樣中間質量比、隔振器固有頻率的浮筏隔振與雙層隔振的效果基本一致[1]。然而，大型筏架的首階彈性振動固有頻率較低，浮筏隔振裝置的動態特性比雙層隔振裝置要復雜很多。國內研究機構和學者在浮筏隔振性能設計方面做了大量工作，主要包括筏架上下層隔振器剛度及阻尼、筏架質量等動力學參數的影響分析[2-3]，高效筏架結構設計[4-5]，動力吸振在浮筏上的應用[6-7]，主動控制[8-9]等。工程設計中，在質量及尺寸要求一定的條件下，最大程度地提高浮筏隔振裝置的性能是設計者追求的終極目標。尤其對于大型浮筏隔振裝置，筏架的動態特性對其隔振性能有一定影響，設計中需要對此開展深入分析。為分析上述問題，本文利用阻抗理論在頻率域建立了機組-浮筏-基座系統的垂向動力學分析模型，然后以船用大型柴油發電機組浮筏隔振系統為對象開展了數值仿真計算，重點分析了筏架動態特性對其隔振效果的影響，研究成果對工程設計有借鑒意義。

1浮筏隔振系統動力學模型

柴油發電機組是艦船上重要的振動噪聲源之一，將兩套機組集中布置、采用浮筏隔振是常見的設計方案。圖1為典型的雙柴油發電機組浮筏隔振系統動力學分析模型，自上而下以此為柴油發電機組、上層隔振器、筏架、下層隔振器及安裝基礎(基座結構)。經由機組隔振裝置傳遞到船體結構的低頻振動能量對艦船的水下輻射噪聲影響較大，因此重點分析頻段選取為200 Hz以下頻段。通常情況下，艦船底部結構在垂向載荷作用下的響應較大，故本文主要分析機組-隔振裝置-基座及船體結構系統的垂向運動。在200 Hz以下頻段，機組可近似為剛體，隔振器可簡化為彈簧。而大型筏架結構的首階固有頻率(幾十赫茲)較低，因此需要考慮其結構彈性，不能簡化為剛體。

圖1　機組-浮筏-基座系統動力學分析模型

為方便起見，本文在頻率域內進行動力學分析。將圖1所示的機組-浮筏-基座系統劃分為機組、筏架及基座三個子系統。對于柴油發電機組子系統，假設機組m受到幅值Fm的激勵力作用，則利用阻抗基本理論，該機組激勵力位置處及每個上層隔振器位置處的垂向速度與激勵力、隔振器中力的關系式可表示為

(1)

式中：Fpm為第m個機組下隔振器中力列向量；Vpm為每個隔振器位置處機組振動速度列向量；Zs為機組的阻抗矩陣，矩陣中每個元素的含義為某位置處產生單位速度需要在另一位置處施加力的幅值；Vm為激勵力位置處機組振動速度幅值。假設第m個機組通過Nm個上層隔振器安裝于筏架上，則阻抗矩陣Zs為(Nm+1)×(Nm+1)維矩陣。

同樣利用阻抗理論，對筏架和基座子系統可以列出隔振器中力與隔振器位置處速度幅值之間的關系式，即

(2)

(3)

式中：Fb為筏架下隔振器中力列向量；Vfm為筏架上第m個機組下隔振器位置處的速度列向量；Vfb和Vb分別為下層隔振器處筏架和基座的速度列向量；Zf和Zb分別為筏架和基座的阻抗矩陣。

由隔振器阻抗及隔振器上、下兩端的速度幅值，可以得到隔振器中的力幅值。據此，隔振系統中上層和下層隔振器中的力向量可以表示為

(4)

式中：Zk分別為隔振器的阻抗矩陣。

將式(1)、式(3)代入式(2)和式(4)可以分別得到一組關于隔振器位置處振動速度的方程組。整理上述這兩組方程可得到浮筏隔振系統振動響應方程，即

(5)

式中：F為由機組激勵力及其與各個隔振器位置處之間的傳遞阻抗組成的力列向量；Z為浮筏隔振系統的阻抗矩陣，由機組、筏架、基座及隔振器原點阻抗及傳遞阻抗組成；V為機組激勵力處機組振動速度、隔振器對應位置處的機組、筏架、基座振動速度組成的列向量。

由式(5)可直接求出每個隔振器對應位置處的機組、筏架及基座的振動速度。利用加速度幅值與速度幅值的頻域關系，可以得到機組及基座加速度響應幅值，進而利用機組與基座之間的振級落差評價隔振裝置的隔振效果。振級落差定義如下：

(6)

式中：ALn為筏架下第n個隔振器對應基座位置處的振動加速度幅值；N1為下層隔振器數目；AUn為機組第n個隔振器安裝機腳處振動加速度幅值；N2為安裝腳數目。可見，振級落差Δ為負數表示具有隔振效果。

2仿真計算及結果分析

某船的兩套柴油發電機組通過一個公共浮筏安裝于船體基座上，機組-浮筏-基座系統的主要參數為：單套柴油發電機組重30 t，筏架(含鋼結構及內部填充物)質量為25 t，筏架的尺寸為8 m×5 m×0.35 m。每套柴油發電機組通過10個垂向剛度為8.4×106N/m的隔振器安裝于筏架上，兩套機組對稱布置。筏架由10個垂向剛度為1.18×107N/m的下層隔振器支承于基座及船體結構上。上、下層隔振器均為橡膠隔振器，其阻尼損耗因子為0.15。圖2給出了上下層隔振器的平面分布情況，可見柴油發電機組及筏架的重心分別與上層及下層隔振器的剛度中心重合。發電機組的基座結構及其下的雙層底結構為由不同厚度板件組成的復合結構，單位寬度的平均截面面積及慣性矩分別為0.4 m2、5.33×10-3m2，等效簡化為平板模型，尺寸為15 m×8 m，結構及附連水總質量約480 t，四邊簡支邊界。

圖2　隔振器布置圖

2.1振動模態

利用有限元法對筏架結構-下層隔振器系統進行模態分析，前7階筏架結構彈性振動模態對應的固有頻率見表1，對應的振型見圖3。表1中彎曲振動模態的第1、2個數字分別表示筏架長度、寬度方向的節點數目，第7階及以上模態對應的振型主要表現為局部振動。

表1　筏架結構-下層隔振系統低階振動模態固有頻率

圖3　筏架結構的低階模態振型

利用有限元法計算基座及雙層底等效結構的低階固有頻率見表2，表中振型第1、2個數字分別表示雙層底結構長度、寬度方向的半波長數目。

表2　基座及雙層底等效結構低階振動模態固有頻率

2.2筏架彈性的影響

考慮到大型筏架結構長度、寬度尺寸及質量因素，筏架高度受船舶艙容空間限制不可能很大，導致筏架結構在低頻段存在一些振動模態。為了分析筏架彈性振動模態對浮筏隔振裝置減振效果的影響，計算了兩機組同時運行工況下，分別考慮筏架為彈性體和剛體情況下的振級落差，其結果見圖4。

圖4　不同彈性筏架的振級落差

圖4中振級落差的第2、4、5個峰值頻率對應于筏架-下層隔振器系統的低階固有頻率，在這些頻率附近，與剛性筏架相比，彈性筏架隔振裝置的減振效果低約5～10 dB以上。圖4中振級落差的第1個峰值頻率(約19 Hz)對應基座及船體結構的首階振動模態，在該頻率處浮筏隔振裝置沒有隔振效果。振級落差的第3、6、7、8個峰值頻率對應基座及船體結構的其它振動模態，這些頻率處浮筏隔振裝置隔振效果在40 dB以上，但彈性筏架的隔振效果比剛性筏架要差，主要是因為這些頻率處彈性筏架參與隔振系統動態特性的有效質量比剛性筏架小。由此可見，提高筏架、基座及船體結構的固有頻率有利于提高浮筏隔振裝置的減振效果。

2.3筏架質量分布的影響

一般情況下，大型筏架結構內通過填充其它物質來提高其質量和阻尼，不同的填充方案影響筏架的質量分布。為分析筏架內填充物質量分布對隔振效果的影響，計算填充物均勻和非均勻分布兩種情況下的振級落差，見圖5。筏架本體結構質量17.92 t，填充物質量7.08 t。均勻是將填充物平均分布于筏架本體；而非均勻是指將填充物主要集中于隔振器安裝腳附近。由圖5可見，在30 Hz以上頻段的主要峰值頻率處，非均勻填充筏架比均勻填充筏架的隔振效果好。填充物集中于隔振器安裝腳處，增加了該部位的有效質量，可在一定程度上提高隔振效果。

圖5　不同填充方式筏架的振級落差

2.4筏架阻尼的影響

為提高浮筏隔振裝置的效果，在筏架內填充高阻尼材料是一種常用手段。為分析筏架阻尼特性對隔振裝置效果的影響，計算了筏架阻尼損耗因子分別為0.02和0.04兩種情況下的振級落差，見圖6。可見，筏架阻尼增加后，隔振裝置僅在第2、4、5、6、8個峰值頻率處的隔振效果提高約2～5 dB，因為這些頻點處筏架振動模態有一定影響；但是在其它頻段隔振效果幾乎未變化。由此可見，增加筏架阻尼僅可提高筏架彈性振動模態頻率處的隔振效果。

圖6　不同筏架阻尼特性的振級落差

3結語

本文利用阻抗理論建立了雙機組-浮筏-基座系統垂向運動的頻率域動力學分析模型，基于此對船用柴油發電機組的大型浮筏隔振裝置動態特性進行了仿真計算，重點研究了筏架動態特性對隔振效果的影響。數值仿真結果分析表明：

(1) 筏架彈性振動模態頻率處隔振效果降低，提高筏架、基座及船體結構固有頻率有利于提高浮筏隔振裝置的減振效果。

(2) 筏架內的填充物應盡量集中于隔振器安裝機腳處，以增加局部質量，有利于提高浮筏隔振裝置的減振效果。

(3) 通過高阻尼材料增加筏架阻尼，僅可提高筏架彈性振動模態頻率處的隔振效果。

參考文獻

[1]李增光. 浮筏及雙層隔振裝置隔振性能計算與分析[J]. 噪聲與振動控制, 2015, 35(6): 65-68.

[2]張峰, 俞孟薩, 許樹浩, 等. 浮筏隔振系統功率流的矢量四端參數方法[J]. 中國造船, 2010, 51(4): 118-126.

[3]蘇常偉, 朱海潮, 毛榮富. 筏架和基座特性對浮筏隔振的影響[J]. 艦船科學技術, 2014, 36(12): 39-43.

[4]況成玉. 周期結構浮筏設計及隔振性能研究[D]. 上海：上海交通大學, 2011.

[5]張峰. 空間桁架浮筏聲學設計方法及降噪特性研究[D]. 北京：中國艦船研究院, 2012.

[6]張鯤, 孫紅靈, 陳海波, 等. 帶動力吸振器的浮筏隔振系統的功率流傳遞特性分析[J]. 中國科學技術大學學報, 2007, 37(1): 13-19.

[7]鄭濤, 陳衛東. 吸振器在浮筏隔振系統中的應用[J]. 噪聲與振動控制, 2013(6): 44-49.

[8]周劉彬, 楊鐵軍, 張攀, 等. 基于彈性艙段的浮筏主動隔振系統實驗研究[J]. 振動與沖擊, 2013, 32(17): 145-150.

[9]Niu J C, Song K J, Lim C W. On Active Vibration Isolation of Floating Raft System [J]. Journal of Sound and Vibration, 2005(285)： 391-406.

作者簡介：劉祥珺(1974-)，男，工程師。

中圖分類號U661

文獻標志碼A

Analysis of the Influence of Raft Dynamic Characteristic on the Vibration Isolation Performance of Floating Raft Equipment

LIU Xiang-jun

(Navy Military Representatives Office Stationed at Shanghai Hudong Zhonghua(Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

AbstractThe dynamic characteristic of large-scale raft at low frequencies has some influence on vibration isolation effectiveness of the floating raft equipment. In order to analyze the above problem, a dynamic model of the equipment-floating raft-foundation system is developed based on the impedance theory. Then the influences of the raft’s flexibility, mass distribution and damping on the vibration isolation performance of the floating raft equipment were analyzed through numerical simulations. The results show that the vibration isolation decreases at the frequencies around the natural frequencies of raft, and increases with the natural frequencies of raft and foundation structure rising. It is also found that the infilling mass should be distributed to the isolator position for increasing the vibration isolation performance, and increasing the damping of raft can improve the vibration isolation performance only at the resonance frequencies of the raft.

KeywordsFloating raftDynamicsVibration isolationImpedance