艦船艙筏和上層建筑隔振系統實驗研究

方媛媛， 茅凱杰， 夏兆旺， 劉周益

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院,江蘇 鎮江 212013；2.江蘇科技大學 能源與動力工程學院 ,江蘇 鎮江 212003)

艦船艙筏和上層建筑隔振系統實驗研究

方媛媛1,2， 茅凱杰2， 夏兆旺2， 劉周益2

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院,江蘇 鎮江 212013；2.江蘇科技大學 能源與動力工程學院 ,江蘇 鎮江 212003)

針對艦船艙筏和上層建筑隔振系統進行了仿真分析和實驗研究，分別研究了實驗模型的固有特性和隔振系統振動傳遞率特性。結果表明：艙筏隔振系統和上層建筑整體隔振系統的一階固有頻率實驗和仿真結果誤差分別為1.2%和2.2%；艙筏隔振系統的振級落差實驗測試結果比仿真結果低2～5 dB，上層建筑整體隔振系統的振級落差實驗測試結果比仿真結果高3～5 dB，但仿真結果和實驗結果的趨勢都基本一致。

艦船; 艙筏; 上層建筑; 隔振

0 引 言

艦船的隱身性能是艦船生命力的一個重要指標[1]。艦船在中低速航行時，振動噪聲主要是艦船機械設備運轉而產生的[2-3]。結構振動與噪聲通過支撐基座、管路系統及空氣傳向艦體及其上層建筑[4-5]，其中結構振動與噪聲主要通過支撐基座傳輸[6-7]。傳統的隔振能在一定程度上降低振動的傳遞，但是已經不能滿足現代海戰的要求；艦船的抗沖擊性能是艦船生命力的另一個重要指標[8-11]。艦艇及其機電設備都要求具備一定的抗沖擊性能，以抵御各種武器接觸爆炸和非接觸爆炸產生的沖擊載荷[12]。艙筏隔振系統既能有效的降低振動噪聲的傳遞，又能提高艦船的抗沖擊性能，目前如何設計出隔振性能更加優良的艙筏隔振系統越來越受到關注[13-16]。

本文以某型艦船為研究對象，對影響艦船生命力的隱身性能與抗沖擊性能開展研究。首先，對艦船按比例縮小和簡化的實驗模型進行機艙艙筏整體隔振和上層建筑整體隔振設計，并通過實驗測量得到隔振系統的振動傳遞特性。其次，根據實驗模型建立其有限元模型，對其進行模態分析和動態響應分析，計算其振動傳遞特性。最后，比較艦船隔振系統振動傳遞特性的實驗結果與仿真結果，驗證有限元法參數設置和簡化方法的可行性。

1 艦船艙筏和上層建筑隔振系統實驗

實驗中采用正弦掃描信號，它要求信號發生器在數秒內掃過整個測試所需要的頻段，以便獲得具有平譜的激勵力，從而達到寬頻帶激勵。這種方法能獲得的平譜，在整個測試頻段內，激勵能量相同，因而可以提高頻響函數的測量精度。

1.1實驗系統

實驗模型采用某艦船實際模型按1∶30縮小后的簡化模型，艦船模型制作時盡量模擬了實船，并按照相似性原理進行設計，使在模型上的實驗結果可以轉換到實船。模型制作遵循材料在彈性范圍內沒有明顯的蠕變；材料各向同性，機械性能好；材料滿足虎克定律；便于各類傳感器的安裝；加工工藝好等原則，采用鋼質材料，總質量為200 kg左右。

實驗模型測試系統包含激勵系統、傳感器系統、放大系統、信號分析系統。激勵系統主要包括信號源、功率放大器和激振器。信號源提供的信號較弱；功率放大器能將激勵信號放大，從而推動激振器。傳感系統主要包括傳感器、電荷放大器等。信號分析系統是將經電荷放大器增強的傳感器信號進行測量、分析與存儲，如圖1所示。

圖1 系統實驗裝置示意圖

1.2實驗裝置

實驗中對頻率響應函數進行測量時，一般使用隨機激勵方法。因本實驗模型比較大，用錘擊方法能量耗散很快，而采用寬頻帶的快速正弦掃描激勵，此方法能不斷地供給，而且在某些個特定頻率上還可輸入更大的能量，信噪比較高，可以保證在低頻響應時的測試精度。主要試驗儀器及設備有CF-5220多功能信號分析儀、激振器、功率放大器、加速度傳感器、電荷放大器和阻抗頭。

實驗所用的激勵工具是BK4808電磁激振器，由其產生的激勵力通過柔性激振桿作用于艦船底甲板上,見圖2。激勵信號是由CF-5220多功能信號分析儀內部的信號發生器產生，并由功率放大器放大后輸入電磁激振器。振動信號由力傳感器和加速度傳感器檢測，通過電荷放大器放大后，輸入CF-5220信號分析儀。從信號分析儀得到的船模型任意兩點間的振動傳遞特性。整個測試系統的實物圖如圖3所示。

圖2 激振器激勵位置

圖3 實驗測試系統

2 實驗系統有限元分析

利用ANSYS建立實驗模型的有限元計算模型，其中包括艙筏隔振系統和上層建筑隔振系統。在建模過程中，主要考慮模型參數的設計以及模型的簡化。小電動機采用六面體體元對其建模，其單元類型均為Solid45；筏架與船體基座采用四邊形殼體單元進行建模，其單元類型為Shell63；彈性隔振器選擇Combine14彈性阻尼單元，必須建立3個重疊的單元模擬3個方向的彈簧剛度。艙筏隔振系統各部份材料的彈性模量和泊松比分別為206 GPa和0.3，浮筏與船體基座材料密度為7 800 kg/m3，同時柴油發電機組通過相同型號的4個彈性隔振器對稱安裝在筏體上，中間筏體再通過4個彈性隔振器對稱安裝在試驗船模船體基座上。彈性隔振器的參數如表1所示。

表1 彈性隔振器參數 N/mm

實驗上層建筑隔振設計中考慮到獲得較大的橫向剛度保證其穩定性，采用橡膠隔振器，設計時以靜剛度為準。上層建筑隔振器的布置，如圖4所示，總共12個隔振器安裝在上層建筑底座對稱分布，隔振器的參數分別為:隔振器的尺寸20 mm×30 mm×15 mm,彈性模量39.6 MPa,密度1 003 kg/m3。

圖4 上層建筑隔振器的布置圖

建立實驗模型的全船有限元模型如圖5所示,包括8 958個單元和8 143個節點。

圖5 實驗模型的全船有限元模型

為了更好地了解實驗模型的動力學特性，利用有限元軟件ANSYS的Lanczos算法，對上述有限元模型進行振動模態分析，如圖6所示。

(a) 船體上層建筑繞x軸搖擺(8.45 Hz)

(b) 船體上層建筑垂向振動(9.45 Hz)

(c) 船體一垂彎(173.334 Hz)

(d) 船體一扭(210.46 Hz)

(e) 船體一側彎(269.3 Hz)

(f) 船體二彎曲(478.5 Hz)

圖6 實驗船模的典型模態

振動模態主要體現為水平面和垂直面的彎曲模態以及扭轉模態。船體上層建筑繞x軸搖擺的一階模態的頻率為8.45 Hz，垂向振動模態頻率為9.45 Hz。船體一垂彎模態頻率為173.334 Hz，船體一扭模態頻率為210.46 Hz，船體一側彎模態頻率為269.3 Hz。隨著頻率的上升,出現船體的二彎、二扭、三彎等典型振型。

3 實驗結果與仿真結果分析

利用有限元軟件ANSYS對實驗艦船模型進行動力學特性分析，得出有限元法實驗模型的振動傳遞率特性。其結果與實驗測量得到的艦船傳遞率特性進行對比，驗證有限元法分析的模型參數設置和簡化方法的可行性。圖7為兩種方法的機艙艙筏隔振主機的振動傳遞率特性對比：實驗測量所得的系統第1階固有頻率94 Hz和有限元仿真計算所得的95 Hz相近，誤差為1.2%。實驗測量所得的振級落差比模擬計算所得的振級落差平均要低2～5 dB。但仿真計算所得的振級落差和實驗測量所得的趨勢基本一致。

圖7 實驗艦船模型艙筏隔振系統振動傳遞特性

兩種方法得到的上層建筑整體隔振系統振動傳遞率特性如圖8所示。實驗測量所得的系統第1階固有頻率45 Hz與有限元仿真計算所得的46 Hz相近，誤差為2.2%。實驗測量所得的上層建筑隔振系統的振級落差比仿真計算所得的振級落差平均要高3～5 dB。但與艙筏隔振系統相似，仿真計算的振級落差和實驗所得的趨勢基本一致。其中的誤差包括實驗測量時產生的實驗誤差，和在仿真計算時，由于船模簡化造成一定的誤差。

圖8 艦船模型上層建筑隔振系統振動傳遞特性

4 結 語

本文針對某型艦船設計加工了縮比模型，對其艙筏和上層建筑隔振系統進行了有限元計算和實驗驗證。仿真結果表明：上層建筑和艙筏隔振系統的振級落差仿真結果與實驗結果有3～5 dB的誤差，但是仿真結果和實驗結果的趨勢都基本一致；模擬結果比實驗結果更加光滑，主要原因是仿真模型比較理想化，而實際實驗測試系統中設備的連接等都沒有達到理想狀態的約束。如何構建準確的仿真模型，準確建立結構之間的約束條件是后續工作的方向。

[1] 王 靜, 肖澤龍, 許建中,等. 反涂層隱身金屬目標創新性實驗項目建設[J]. 實驗室研究與探索, 2011(3):301-303.

[2] 桂洪斌, 竇松然, 李承豪. 環肋圓錐殼基座振動傳遞的粘彈性阻尼控制技術研究[J]. 船舶力學, 2016, 20(10):1330-1337.

[3] 肖 斌, 劉文帥, 高 超,等. 艦船中低頻結構噪聲源識別方法研究[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2015(12):1596-1602.

[4] 孫勇敢, 黎 勝. 周期性加肋板振動帶隙研究[J]. 船舶力學, 2016, 20(1-2):142-147.

[5] 謝耀國, 曲先強, 崔洪斌,等. 船用振動隔振器性能研究[J]. 實驗技術與管理, 2015(9):46-50.

[6] 夏兆旺, 張 帆, 魏守貝,等. 船舶輔機隔振實驗平臺開發[J]. 實驗技術與管理, 2015(11):91-93.

[7] 何 濤, 孫玉東, 吳文偉,等. 水管路系統低噪聲配置研究[J]. 船舶力學, 2015(9):1149-1159.

[8] 田正東, 姚熊亮, 沈志華. 基于MR的船用減振抗沖隔離器力學特性研究[J]. 哈爾濱工程大學學報，2008,29(8):783-788.

[9] 黃修長. 艙筏隔振系統聲學設計及優化、控制[D]. 上海:上海交通大學, 2011.

[10] 陳海龍, 姚熊亮, 張阿漫,等. 船用典型動力設備抗沖擊性能評估研究[J]. 振動與沖擊, 2009, 28(2):45-50.

[11] 周維星, 姚熊亮, 傅曉軍,等. 艦艇管路抗沖擊分析的傳遞矩陣法[J]. 船舶力學, 2014(10):1244-1248.

[12] 林騰蛟, 蔣仁科, 李潤方,等. 船用齒輪箱動態響應及抗沖擊性能數值仿真[J]. 振動與沖擊, 2007, 26(12):14-17.

[13] 王國治, 支李峰, 鄧文彬. 水下爆炸環境中艦船浮筏裝置沖擊響應研究[J]. 江蘇科技大學學報(自然科學版), 2006, 20(5):4-9.

[14] 夏兆旺, 袁秋玲, 方媛媛,等. 基于動態子結構-阻抗法的車輛制動鼓動態特性研究[J]. 江蘇科技大學學報(自然科學版), 2012, 26(6):568-571.

[15] 王國治, 劉周益. 艦船上層建筑的隔振及抗沖擊特性分析[J]. 江蘇科技大學學報(自然科學版), 2008, 22(4):12-17.

[16] 褚德英, 王貢獻, 張志誼,等. 艦載設備抗沖擊試驗系統建模與仿真[J]. 振動工程學報, 2007, 20(5):507-511.

[17] 黃修長, 徐時吟, 張志誼,等. 基于頻響函數綜合的艙筏隔振系統靈敏度分析和優化[J]. 振動與沖擊, 2011, 30(5):145-151.

ExperimentalStudyofCabinwithFloat-raftandSuperstructureVibrationIsolationSystem

FANGYuanyuan1,2,MAOKaijie2,XIAZhaowang2,LIUZhouyi2

(1. School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China；2. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China)

The simulation analysis and experimental study of the vibration isolation system in the ship cabin and superstructure are carried out. The nature characteristics and the vibration transfer rate of vibration isolation system are studied. The results show that the first natural frequency error of the cabin raft and superstructure vibration isolation system between the experimental and simulation results are 1.2% and 2.2%, respectively. The experimental vibration level difference of cabin raft isolation system is 2-5 dB lower than the simulation result, and the vibration level difference of the whole superstructure system is 3-5 dB higher than simulation results. But, the simulation results and experimental results are basically identical.

warship; cabin raft; superstructure; vibration isolation

TB 535

A

1006-7167(2017)09-0014-03

2016-12-15

江蘇省高校自然科學基金項目(16KJA580002);江蘇省自然科學基金項目(BK2017232)

方媛媛(1982-)，女，山東德州人，博士，講師，主要從事船舶振動與噪聲控制方向的研究。Tel.:15061491562;E-mail：fangyy82@163.com