船用隔振結(jié)構(gòu)的實驗室振動響應(yīng)模擬試驗系統(tǒng)設(shè)計

劉 浩， 王朝杰， 楊 峰， 張 翠

(1.北京環(huán)境強度研究所， 北京 100076； 2.天津航天瑞萊科技有限公司， 湖北 武漢 430056)

船用隔振結(jié)構(gòu)的實驗室振動響應(yīng)模擬試驗系統(tǒng)設(shè)計

劉 浩1,2， 王朝杰1,2， 楊 峰1,2， 張 翠2

(1.北京環(huán)境強度研究所， 北京 100076； 2.天津航天瑞萊科技有限公司， 湖北 武漢 430056)

為了在實驗室內(nèi)實現(xiàn)對不同船用隔振結(jié)構(gòu)的隔振效果進行評估與研究，提出一種隔振結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)模擬試驗系統(tǒng)設(shè)計方案。利用該系統(tǒng)，研究者可通過試驗的方法對理論研究與設(shè)計進行實際驗證，在完善相關(guān)理論研究的同時，也為工程上隔振設(shè)計與制造優(yōu)化提供參考。

船用裝置；隔振效果；試驗系統(tǒng)；設(shè)計方案

0 引言

隨著艦船、潛艇向大型化、高速化方向發(fā)展，船用設(shè)備的振動與噪聲問題成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。船舶水下輻射噪聲主要有三大類：結(jié)構(gòu)噪聲、螺旋槳噪聲和流噪聲，其中結(jié)構(gòu)噪聲即船體結(jié)構(gòu)振動向水下輻射的噪聲，是主要的噪聲源之一[1]。隨著造船業(yè)的發(fā)展，高強度鋼的使用以及為減輕質(zhì)量而采取的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施使得船舶易于發(fā)生振動[2]。而艦船、潛艇等軍用船舶的聲隱身能力又是關(guān)系其生命力和戰(zhàn)斗力的重要因素，因此，通過減、隔振技術(shù)降低船舶振動噪聲水平是非常重要的任務(wù)[3-4]。目前，減、隔振系統(tǒng)已在工程實踐中大量應(yīng)用，減、隔振技術(shù)已經(jīng)成為船舶機械振動噪聲控制的核心技術(shù)之一[5-6]。

通過多年研究，船用隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計理論已經(jīng)較為成熟，但工程中各類隔振結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化仍以分析計算為主，模擬實驗研究相對較少[3,7-10]。而分析計算在模型、邊界條件、計算參數(shù)等各方面均存在精度問題[11]，所得結(jié)果準(zhǔn)確度無法保證。本文提出一種船用隔振結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)模擬試驗系統(tǒng)設(shè)計方案，首次使用電動振動臺模擬船用設(shè)備，利用反作用力原理模擬船用設(shè)備的振源激勵，能在實驗室內(nèi)實現(xiàn)對隔振結(jié)構(gòu)的模擬及其隔振效果的評估與研究，完善相關(guān)理論研究，為工程中的隔振設(shè)計與制造優(yōu)化提供有力支撐。

1 船用隔振結(jié)構(gòu)

船用隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計主要可分為3種：單層隔振、雙層隔振以及浮筏隔振技術(shù)[4,5,12]。

單層隔振示意圖如圖1所示。設(shè)備通過隔振器與船體連接，當(dāng)激勵頻率較大時，隔振效果較好，因而在船舶上其被普遍采用。

圖1 單層隔振示意圖

雙層隔振示意圖如圖2所示。設(shè)備通過隔振器與一層臺板連接，臺板再通過減振器與船體連接，形成雙層隔振。雙層隔振效果一般比單層隔振效果好，但臺板質(zhì)量要求較大，且在激勵頻率小于二次諧振頻率時，隔振系統(tǒng)的傳遞率將變?yōu)榉糯鬆顟B(tài)，不但起不到隔振效果，還會產(chǎn)生反作用。

圖2 雙層隔振示意圖

浮筏隔振示意圖如圖3所示。浮筏隔振可看成是多級雙層隔振裝置。多臺設(shè)備通過隔振器或直接剛性連接在臺板即筏體上，筏體再通過減振器與船體連接。浮筏隔振裝置能利用浮筏和其他設(shè)備的質(zhì)量效應(yīng)減少隔振裝置的總質(zhì)量，但浮筏結(jié)構(gòu)尺寸較大，會引入彈性變形等影響，從而增加分析和設(shè)計復(fù)雜程度。

圖3 浮筏隔振示意圖

針對以上隔振結(jié)構(gòu)，常見的隔振評價指標(biāo)主要有3種：振級落差、插入損失和力傳遞率。振級落差是被隔離體的振動響應(yīng)與對應(yīng)基礎(chǔ)的振動響應(yīng)有效值之比；插入損失是采取隔振措施前后基礎(chǔ)響應(yīng)的有效值之比；力傳遞率是被隔振體的動態(tài)力輸出與對應(yīng)基礎(chǔ)收到的動態(tài)力激勵之比。3個指標(biāo)單位均為dB。以上3個評價指標(biāo)有一定的對應(yīng)關(guān)系和適用范圍，對于不同質(zhì)量的基礎(chǔ)應(yīng)采用不同的指標(biāo)進行評價[13-14]。

2 試驗系統(tǒng)設(shè)計

2.1 整體設(shè)計與要求

如在實驗室進行減、隔振結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)模擬并評估其隔振效果，應(yīng)具備三大功能模塊：一是各類型減、隔振結(jié)構(gòu)裝置的模擬；二是各類型設(shè)備機械振動激勵的模擬；三是系統(tǒng)關(guān)鍵物理量的采集與隔振效果分析。

各類型減、隔振結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和尺寸均不相同，為保證試驗系統(tǒng)的通用性，隔振結(jié)構(gòu)平臺采用自由拼接臺板和不同規(guī)格隔振器實現(xiàn)，通過臺板和隔振器不同的組合方式實現(xiàn)對單層隔振裝置、雙層隔振裝置和浮筏隔振裝置的模擬。

各類型船用設(shè)備(振源)的質(zhì)量、振動頻率等特性不同，傳統(tǒng)的偏心電機模擬方式頻率范圍較窄，存在較大局限性。本設(shè)計方案巧妙利用反作用力原理，使用電動振動臺作為模擬振源發(fā)生器，具有激勵范圍廣、調(diào)節(jié)方便等特點。同時，配合MIMO振動控制儀的使用，可實現(xiàn)各類型復(fù)雜工況以及其他組合工況的模擬。

隔振系統(tǒng)的評估需要獲得系統(tǒng)的振級落差、插入損失、力傳遞率、傳遞函數(shù)、阻尼、頻響等性能參數(shù)。本試驗系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)鍵物理量的采集與分析功能，通過數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)實現(xiàn)。該系統(tǒng)由傳感器組、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)分析軟件組成，能監(jiān)測試驗系統(tǒng)加速度、位移、力等信號。

2.2 模擬臺板設(shè)計

模擬臺板設(shè)計為兩層，每層均由2塊～3塊可自由拼裝的分體模塊組合。振源與臺板之間、兩層臺板之間、臺板和試驗系統(tǒng)地基的T型槽臺板之間均可連接任意數(shù)量和規(guī)格的隔振器，以實現(xiàn)對單層隔振裝置、雙層隔振裝置和浮筏隔振裝置的模擬。臺板采用板梁蜂窩結(jié)構(gòu)(見圖4)，可在保證結(jié)構(gòu)強度與剛度的同時有效降低質(zhì)量，同時在結(jié)構(gòu)中可通過質(zhì)量塊的形式靈活調(diào)整臺板的總質(zhì)量和質(zhì)量分布，增加適用范圍。

圖4 臺板示意圖

上層臺板最大拼裝尺寸為3.45 m×3.45 m×0.30 m，臺板主體為碳鋼型材，翼板厚12 mm，腹板厚8 mm，質(zhì)量約為2.45 t，帶網(wǎng)格狀安裝螺孔。一階模態(tài)頻率為44.8 Hz，當(dāng)上表面承受30 t重物時，最大應(yīng)變≤0.18 mm，最大應(yīng)力≤32 MPa，安全因子為7.3。

下層臺板最大拼裝尺寸為4.20 m×4.20 m×0.35 m，臺板主體為碳鋼型材，翼板厚14 mm，腹板厚8 mm，質(zhì)量約為4.13 t，帶網(wǎng)格狀安裝螺孔。一階模態(tài)頻率為36.3 Hz，當(dāng)上表面承受40 t重物時，最大應(yīng)變≤0.2 mm，最大應(yīng)力≤33 MPa，安全因子為7.1。圖5為臺板位移與應(yīng)力云圖。

圖5 臺板位移與應(yīng)力云圖

考慮將下層臺板作為船體模擬海洋環(huán)境時，下層臺板下方若使用剛度較小的隔振器，臺板會產(chǎn)生較大的位移，因此設(shè)置有水平和垂直限位裝置。

垂直限位裝置采用在下層臺板下方安裝氣囊臺板的方式，在臺板靜止?fàn)顟B(tài)時，該氣囊放置于臺板下方，但不與臺板接觸，留有一定高度空間h。當(dāng)臺板在工作狀態(tài)垂向向下的位移超過h時，下限位氣囊與臺板接觸，防止臺板位移過大而產(chǎn)生危險。水平限位裝置采用下層臺板四周氣囊連接限位桁架的方式，限制其水平移動范圍。垂直限位和水平限位裝置如圖6所示。

2.3 模擬振源設(shè)計

設(shè)備機械振動一般來源于電機、內(nèi)燃機、帶壓管路和其他運動機構(gòu)所產(chǎn)生的振動，因設(shè)備的復(fù)雜性不同而不同，且多臺設(shè)備之間會相互影響。傳統(tǒng)模擬方式為偏心電機，特點是安裝靈活、使用方便，但模擬工況比較單一，且模擬振動頻率范圍小，只能達到100Hz左右。

本方案設(shè)計首次使用電動振動臺模擬船用設(shè)備，利用反作用力原理模擬船用設(shè)備的振源激勵，充分發(fā)揮電動振動臺激勵范圍廣、靈活度高的特點，可模擬正弦、隨機、沖擊以及正弦疊加隨機、隨機疊加隨機等工況，模擬頻率范圍可達2～2 700Hz。配合MIMO振動控制儀，還可實現(xiàn)各類型復(fù)雜工況以及其他組合工況。

垂直激振時，在振動臺動圈加裝配重，以增加振源運動部件質(zhì)量。通過調(diào)節(jié)運動部件質(zhì)量和激振加速度來調(diào)節(jié)振源慣性力大小，根據(jù)作用力與反作用力原理，即可實現(xiàn)振源對臺板的激振力調(diào)節(jié)。水平激振時，因振動臺動圈抗傾覆力矩有限，配重不可直接安裝。本方案設(shè)計有滑動質(zhì)量塊，質(zhì)量塊下有平臺承擔(dān)其重力，以消除對振動臺動圈的傾覆力矩。

此外，電動振動臺還配置有翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和反作用力監(jiān)測傳感器，激振力方向在0°～90°范圍無級可調(diào)，并可實時監(jiān)測激振力曲線。模擬振源結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 模擬振源結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)設(shè)計

目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已有成熟的商業(yè)硬件和軟件提供，選用合適的傳感器和采集卡即可獲得加速度、位移等物理量的采集。本方案設(shè)計使用符合最新PXI規(guī)范的NI機箱、控制器和采集模塊，配合加速度傳感器、激光位移傳感器、力傳感器等來獲取試驗系統(tǒng)的各物理參數(shù)。物理參數(shù)主要包括模擬設(shè)備傳至臺板的動態(tài)力、各臺板的位移和加速度響應(yīng)、地基的位移和加速度響應(yīng)、臺板之間的動態(tài)力、被測試隔振器的受力等。獲得以上參數(shù)后，通過自行開發(fā)分析軟件，計算得到試驗系統(tǒng)的振級落差、插入損失、力傳遞率、傳遞函數(shù)、阻尼、頻響等性能參數(shù)。

2.5 隔振地基設(shè)計

為了更加精確地獲得減、隔振結(jié)構(gòu)模型的隔振參數(shù)，同時減少試驗系統(tǒng)與外界環(huán)境的相互影響，試驗系統(tǒng)地基采用彈簧阻尼隔振地基。隔振地基主體由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成，地基主體下方設(shè)有安全塊，方便安裝的同時能有效避免整體坍塌風(fēng)險。地基主體通過彈簧阻尼器與承力墻連接，地基主體上方裝有鑄鐵臺板，臺板帶有T型槽，方便拆裝模擬試驗裝置。圖8為地基示意圖。

圖8 地基示意圖

地基有效使用面積為8m×8m，設(shè)計質(zhì)量350t，有效載重50t。通過調(diào)整彈簧阻尼器的阻尼，可實現(xiàn)擾動頻率在20～3 000Hz時，隔振效果達到27dB以上。

3 試驗系統(tǒng)優(yōu)點

3.1 室內(nèi)大型試驗系統(tǒng)

本試驗系統(tǒng)地基有效使用面積為8m×8m，設(shè)計載重50t。單層模擬臺板有效尺寸為4.2m×4.2m，設(shè)計載重40t。雙層模擬臺板有效尺寸為3.45m×3.45m，設(shè)計載重30t。可在室內(nèi)模擬較大型設(shè)備減隔振平臺。

3.2 模擬臺板靈活多變

(1) 模擬臺板采用分體式設(shè)計，可根據(jù)各類研究項目或工程需要自由選擇不同尺寸組合使用模擬。通過單層、雙層以及多層組合，可模擬單層隔振、雙層隔振以及復(fù)雜多變的浮筏隔振結(jié)構(gòu)。

(2) 臺板的拼接方式采用腹板螺接和翼板加強，保證臺板連接強度的同時，還能保證其彎曲剛度，使分體式組合臺板的力學(xué)性能與一體式臺板基本相當(dāng)。

(3) 臺板側(cè)方和下方設(shè)有空氣彈簧限位裝置，可防止臺板位移過多出現(xiàn)危險，同時下方空氣彈簧還可以用于模擬船舶海洋環(huán)境。

(4) 臺板為蜂窩結(jié)構(gòu)，可在中空部位靈活增加配重，以模擬實際臺板質(zhì)量分布。

3.3 通用產(chǎn)品接口

地基上表面設(shè)計有T型槽，模擬臺板上、下表面設(shè)計有通用腰型連接口，可安裝各類型減振器基座，通用性強。

3.4 振源激勵功能強

首次使用電動振動臺模擬船用設(shè)備，利用反作用力原理模擬船用設(shè)備的振源激勵，激勵方式多樣，激勵力和頻率范圍廣。電動振動臺還配置有翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和反作用力監(jiān)測傳感器，激振力方向在0°～90°范圍無級可調(diào)，并可實時監(jiān)測激振力曲線。多臺振動臺組合還可實現(xiàn)不同方向同時激勵。

3.5 分析系統(tǒng)功能強

在已有的采集模塊功能基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，增加沖擊響應(yīng)譜分析、基于雨流計數(shù)的疲勞分析、隔振效果分析等功能模塊，可快速獲得隔振系統(tǒng)的關(guān)鍵評價參數(shù)。

3.6 性能指標(biāo)

本試驗系統(tǒng)的主要設(shè)計指標(biāo)如下：

(1) 減隔振結(jié)構(gòu)模擬類型：單層隔振、雙層隔振、浮筏隔振。

(2) 模擬臺板有效尺寸：單層4.2m×4.2m，雙層3.45m×3.45m。

(3) 臺板最大承載質(zhì)量：30t。

(4) 臺板配重：100～6 000kg。

(5) 動態(tài)激勵力大小：0～200kN。

(6) 激勵頻率：2～2 700Hz。

(7) 激勵方向：任意方向。

從圖3可知沙縣竹炭板鴨在PC1上得分較高，白市驛板鴨在PC2上得分較高，南安板鴨在PC1和PC2上的得分均較高，原因可能是特征性風(fēng)味物質(zhì)種類多且含量較高。南京板鴨、揚州板鴨與雷官板鴨相隔較近，說明其相關(guān)性較大。從圖3(b)中可以看出，己醛、壬醛與醛類距離很近，表明他們之間相關(guān)性很大，即己醛、壬醛可以反映大部分醛類在香氣方面的貢獻。脂質(zhì)氧化產(chǎn)生的壬醛、己醛通常能在干腌肉質(zhì)品中檢測到，并且具有花香，青香和果香，有助于整體香味的形成。圖3(b)和圖4顯示F1（己醛）、F2（壬醛）、F4（(Z)-2-庚烯醛）和F9（1-辛烯-3-醇）相關(guān)性很大，說明在板鴨中含量較高。

(8) 激勵類型：正弦、隨機、沖擊、長時波形復(fù)現(xiàn)、正弦+正弦、正弦+隨機、隨機+隨機、正弦+隨機+隨機。

(9) 評價指標(biāo)：振級落差、插入損失、力傳遞率、傳遞函數(shù)、阻尼、頻響等。

(10) 功能拓展：沖擊響應(yīng)譜分析、疲勞分析。

4 結(jié)論

為了在實驗室內(nèi)實現(xiàn)對不同船用隔振結(jié)構(gòu)的隔振效果進行評估與研究，提出了一種大型隔振結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)模擬試驗系統(tǒng)設(shè)計方案，能在實驗室內(nèi)模擬單層、雙層以及浮筏類隔振結(jié)構(gòu)，并能獲得隔振系統(tǒng)的振級落差、插入損失和力傳遞率等指標(biāo)，可以綜合評估系統(tǒng)隔振效果。本設(shè)計方案首次使用電動振動臺模擬船用設(shè)備，巧妙利用反作用力原理模擬船用設(shè)備的振源激勵，充分發(fā)揮了電動振動臺的優(yōu)勢；同時針對船用隔振結(jié)構(gòu)進行了采集與分析系統(tǒng)的二次開發(fā)，使整個試驗系統(tǒng)具有了更好的模擬能力和分析評估能力。

本文試驗系統(tǒng)設(shè)計是航天試驗技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，使得在實驗室完成大型隔振結(jié)構(gòu)的試驗研究成為可能，具有一定的研究與工程實用意義。同時，筆者希望通過對此類試驗技術(shù)進行研究，能夠逐步改善船用隔振結(jié)構(gòu)的研究計算分析多而模擬實驗少的現(xiàn)狀。

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Laboratorial Vibration Response Test System Design of Vibration Isolation Structure

LIU Hao1,2， WANG Chaojie1,2， YANG Feng1,2， ZHANG Cui2

(1.Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China;2.Tianjin Aerospace Reliability Technology Co., Ltd., Wuhan 430056, Hubei, China)

In order to evaluate the vibration isolation effect of different marine vibration isolation systems in the laboratory, a laboratorial vibration response test system design is developed which can evaluate the vibration isolation effect of the vibration isolation structure. With this system, researchers can actually validate theoretical research and design through the experimental ways which can improve the relevant theoretical research and provide reference for vibration isolation design and manufacture optimization.

marine structure; vibration isolation effect; test system; design

劉 浩(1987-)，男，工程師，研究方向為環(huán)境與可靠性試驗技術(shù)。

1000-3878(2017)01-0012-06

U662

A