復合材料基座在船舶設備振動傳遞控制中的應用

牟文珺，桂洪斌

(哈爾濱工業大學（威海）船舶與海洋工程學院，山東 威海 264209)

0 引 言

設備是船舶的主要振動噪聲源，對其振動噪聲的有效抑制在船舶舒適性以及艦艇安靜性方面具有重要意義。基座結構是設備振動傳遞到船體的主要途徑，為了降低設備的振動傳遞，目前主要是通過在設備與基座之間安裝隔振系統來實現。

隨著對船舶舒適性和安靜性要求的提高，迫切需要更有效的隔振措施。由于阻尼抑制振動的有效作用以及復合材料學科研究的發展與深入，采用由具有高阻尼性能并且可以獨立作為結構材料的纖維增強復合材料設計成的復合材料基座替代低阻尼的傳統鋼質基座成為了增加設備隔振效果的一種選擇。

為了研究出具有優良減振性能的復合材料基座，首先要掌握復合材料的阻尼及振動特性，其次基座結構較為復雜，將復合材料應用于船舶設備振動傳遞抑制需要綜合性的研究分析。

本文首先對當前設備振動傳遞控制方法、復合材料的減振性能以及復合材料基座的應用進行綜述，然后通過具體算例分析復合材料基座的減振效果。

1 船舶設備振動傳遞控制措施

實船上使用的設備振動傳遞控制方式主要為隔振，主要包括單層隔振，雙層隔振和浮筏隔振。

1.1 單、雙層隔振系統

單層隔振系統是把機械設備通過一層隔振器連接到基座上，利用隔振器本身的剛度和阻尼來對振動的傳遞進行隔離。單層隔振系統振動的傳遞率以1/ω2衰減[1]，一般認為單層隔振系統可以達到20 dB大小的隔振效果。

簡單隔振裝置的動力學模型建立于20世紀40年代[2]。Sanderson[3]預測了兩物體之間單層隔振器的6個自由度的運動，得到了可用于計算激振力的傳遞公式。在單層隔振的分析方法方面，伍先俊等[4]證明統計能量法相較于導納功率流能好的描述單層隔振器剛度和阻尼大小對功率流傳遞的影響。

但是單層隔振器存在剛度較低且高頻隔振效果較差的缺點，因此在單層隔振系統的基礎上，在2層隔振器之間插入中間質量，發展出雙層隔振系統，如圖1所示。雙層隔振系統可改善單層隔振剛度較差的缺點且具有更好的隔振效果，其振動傳遞率以1/ω4衰減，在低頻區可降低振動傳遞不少于35 dB, 高頻區可達50 dB[5]。

圖 1 雙層隔振系統Fig. 1 Double-layer vibration isolation system

針對雙層隔振系統的分析，沈榮瀛等[6]通過傳遞函數曲線得雙層隔振系統各動態參數的選擇方法，并將隨機激振試驗結果與理論結果相對比，得出雙層隔振系統較單層隔振系統的優勢。楊義順等[7]利用有限元法分析雙層隔振系統中質量比、彈性模量等參數的改變對船舶結構振動傳遞的影響, 并將數值結果與試驗結果進行比較。肖斌等[8]基于功率流法并結合系統隔振試驗及模態試驗研究雙層隔振系統的振動傳遞，通過系統主導模態、耦合和阻尼等耗散特征以及初級激擾力特征提高雙層隔振系統隔振性能。

1.2 浮筏隔振系統

為解決雙層隔振系統中間質量過重帶來的缺點，產生了浮筏隔振系統，即多臺設備可共用一個中間質量（筏架），如圖2所示。以振級落差為評價指標，浮筏隔振系統可獲得40 dB以上的隔振效果[5]，但目前較明顯的局限性是需要較大的安裝空間。

圖 2 浮筏隔振系統Fig. 2 Floating raft isolation system

針對浮筏隔振系統的性能，張樹楨等[9]利用功率流作為浮筏隔振系統的性能評價指標，就筏架和基座的柔性變形、負載質量、隔振器剛度和阻尼以及筏架和基座損耗因子對隔振效果的影響進行了理論與數值分析。黃其柏等[10]以振級落差為評價指標，使用有限元分析法研究了2種筏體結構的浮筏隔振系統的隔振效果, 并與試驗結果進行對比。許樹浩等[11]比較了加速度響應與功率流響應2種評價指標反應隔振系統隔振效果的優劣，結果表明功率流法會優于加速度響應做為評價指標的評價體系。吳剛等[12]利用有限元法和綜合數值法設計浮筏隔振系統，并對該系統的主要參數進行模擬研究，證明較小的隔振器剛度和較大的中間筏體質量能有效改善系統低頻隔振特性。Li等[13]使用解析法及功率流法分析了由約束阻尼梁構成的浮筏隔振系統動態性能，證明浮筏隔離系統可以提供更高的隔振效果。

1.3 基座結構及分布對振動傳遞的影響

基座作為設備振動傳遞到船體的主要路徑，是控制設備振動傳遞的重要環節。

Wen等[14]設計了內有4個設備支撐基座的環肋圓柱殼模型，研究了內部基座的結構形式和布局定位對環肋圓柱殼振動傳播特性的影響。申華等[15]設計了3種形式的基座，采用有限元分析與試驗相結合的方法，以振級落差為評價標準，研究了動力艙段殼體的振動模態和由基座至殼體的振動傳遞特性，證明了基座剛度越大，其抑制設備振動傳遞的效果越好；張彤彤等[16]以振級落差為評價指標，研究了基座結構參數對基座阻抗及艇體振動的影響規律，研究結果表明增大面板厚度及偏置腹板可以提高基座結構輸入機械阻抗，降低艇體振動響應；王國治等[17]使用有限元/邊界元法研究基座結構的振動特性，證明了基座面板厚度、粘貼阻尼層及減震器剛度對設備振動傳遞性能有明顯的影響。鄭律等[18]使用波動分析法分析了設備振動在雙層殼中的傳遞特性，采用有限元與邊界元結合法分析基座結構連接處阻抗失配對基座的減振性能的影響，證明可通過對振動波的分流提高基座減振降噪效果。

基座作為設備振動傳遞到船體的最直接路徑，可以更改基座結構形式及參數提升基座的減振性能，其中增加面板厚度，提高輸入機械阻抗的效果最為明顯，但增加面板厚度必定以增加結構質量為代價，不符合船舶輕量化的設計要求。為更好地控制船舶設備振動傳遞，使用質量輕且具有高阻尼特性的纖維增強復合材料替代原有的鋼質基座結構是一種值得研究的手段。

2 復合材料阻尼及減振效果

纖維增強復合材料由增強纖維和基體組成，相較于金屬，復合材料普遍具有高阻尼特性。復合材料對振動的控制主要通過阻尼耗散實現，復合材料的阻尼主要來源于聚合物基體的粘彈性，其次是纖維與基體相對運動產生的耗散[19]。

Adams和Bacon[20]對纖維方向和層壓板幾何特性對纖維增強復合材料的彎曲和扭轉阻尼和模量的影響進行了理論預測，并與試驗結果吻合較好，后人稱之提出的理論為Adams-Bacon方法。該方法提出了正交各向異性層合板比阻尼能力的概念，其中為總耗散能，U為總應變能； Adams和Maheri[21]利用單向復合材料的基本彈性關系, 結合Adams-Bacon阻尼準則,對各向異性碳纖維布和玻璃鋼梁的阻尼進行了預測，證明復合材料動態性能與阻尼的變化有關；Hadj Youzera等[22]研究了3層對稱層合梁的阻尼和非線性受迫振動，基于諧波平衡法和Galerkin方法，建立標量復數非線性幅頻關系，針對各種幾何和材料特性得出頻率響應曲線。

復合材料的鋪層方向是定義復合材料整體特性的基礎，合理的鋪層角度可實現材料阻尼的最大化[20]，從而體現復合材料的減振效果。Jeong等[23]在配備有光纖振動計的真空室和電磁錘的條件下進行高強度對稱層壓碳纖維環氧復合薄梁的動態特性試驗，獲得了鋪層角度與阻尼比的關系。Calim[24]研究了復合材料梁的自由與強迫振動，用互補函數方法進行數值求解，精確計算復合材料梁的動態剛度矩陣，研究了非均勻性參數和纖維取向角對梁振動響應的影響。

3 復合材料基座在船舶設備振動傳遞控制中的應用

復合材料在船舶上已應用于上層建筑，螺旋槳，先進桅桿系統等，但復合材料基座僅處于探索研究階段，并未有實船應用實例[25]。

趙樹磊等[26]在實驗中對比了金屬材料基座和復合材料基座的振動傳遞性能，證明復合材料基座具有良好減振效果。郎彥[27]使用有限元法結合導納法對同結構的復合材料基座和鋼基座的隔振系統振動特性進行比較。任賀厲[28]使用導納能量流理論，通過有限元方法比較了含單層隔振系統的鋼質基座及復合材料基座的減振動效果。楊德慶等[29]以功率流與振級落差為評價指標對復合材料基座進行減振效果評估，以鋼板厚度、復合材料鋪層數和鋪層角度為優化變量，采用多島遺傳算法進行求解，比較振源及肘板處替換復合材料的基座與鋼質基座減振效果。張永勝等[30]以均方加速度響應及基座輸入阻抗為評價指標，為某平臺設計減振方案并進行數值仿真。李國亮[31]以功率流為評價指標，結合有限元法研究了材料剛度、阻尼及鋪層參數對基座減振效果的影響；通過激振試驗，探究了碳纖維基座對隔振試驗平臺固有振動特性的影響并與鋼質基座減振效果對比，證明碳纖維基座可有效減少激振力傳遞。

3.1 復合材料使用位置的計算分析

為數值分析復合材料基座的減振效果，在Abaqu內建立如表1和表2所示的船體基座結構模型，如圖3所示。采用自由分網劃分技術，設置近似全局尺寸為50，以S4R四節點曲殼單元模擬船體基座結構，使用模態疊加法進行動態響應分析，以均方加速度為評價指標，評估在肘板、腹板位置使用碳纖維增強復合材料的基座對船舶設備振動傳遞的控制效果，并比較在不同基體、不同鋪層參數下復合材料基座的減振能力。

在面板施加單位正弦載荷以模擬設備在0～500 Hz中低頻范圍內由基座傳入的激振力，激振力通過基座傳遞到船舶殼體，在船體N201，N275，N4681，N8281四點處輸出加速度響應傳遞函數，取均方響應平均值，如圖4所示。

表 1 船體結構參數Tab. 1 Structural parameters of module

表 2 基座結構參數Tab. 2 Structural parameters of pedestal

圖 3 基座-船體結構模型Fig. 3 Pedestal - Hull structure model

圖 4 加速度響應點Fig. 4 Acceleration response point

為適當提高結構的輸入阻抗，并滿足實際應用中面板需要打孔固定設備的要求，基座面板均使用鋼板。依次分析將基座肘板、腹板以及肘板腹板均替換為MT300/603復合材料時基座控制振動傳遞的效果，鋪層方式采用[0]80，相關材料屬性參考文獻[32]。

無論何位置替換為復合材料的基座均可明顯降低鋼質基座的共振峰值，最大可有效降低80%的加速度響應，如圖5所示。同時替換兩板在大多數頻段內放大了船體振動響應；在200～300 Hz頻段內腹板替換為復合材料的基座響應較小；在300～500 Hz頻段內肘板替換為復合材料的基座響應較小，如圖6所示。因此肘板為復合材料的基座可在較廣的頻段內產生更佳的減振效果，說明改變肘板材料對基座減振性能影響最大，即在基座肘板處使用復合材料可以更好的控制設備振動傳遞。

圖 5 復合材料與鋼質基座響應對比Fig. 5 Comparison of response between composite materials and steel pedestal

3.2 復合材料基體及鋪層角度的計算分析

使用同纖維不同樹脂基體的碳纖維增強復合材料MT300/603及MT300/603A替換基座鋼質肘板，鋪層方式采用[0]80。如圖7所示，2種基座輸出的加速度響應具有一定差別，在峰值處最大相差50%，證明復合材料基體性質對基座減振效果具有較大影響。

圖 6 三種復合材料基座響應對比Fig. 6 Comparison of three composite pedestals responses

圖 7 不同基體的復合材料肘板減振效果對比Fig. 7 Comparison of damping effect of composite brackets with different substrates

最后驗證不同鋪層角度對復合材料基座減振性能的影響，肘板替換MT300/603A，分別采用[0]80，[45/–45/0/90]20s，[0/90/–45/45]20s三種鋪層方式，如圖8所示。第2種鋪層方式在頻段內可有效降低加速度響應，較減振效果最弱的第1種鋪層方式最高可降低42%的船體振動響應，因此鋪層角度的改變對基座減振能力有著明顯的影響。

圖 8 三種鋪層角度的復合材料基座減振效果Fig. 8 Damping effect of composite pedestal with 3 ply-angles

4 結 語

本文對復合材料基座在船舶設備振動傳遞控制中的應用現狀進行介紹和總結，并通過算例分析驗證了復合材料基座的應用效果。由總結和分析可見：

1）復合材料相較于傳統金屬材料有較高阻尼，在保證材料強度的前提下采用復合材料更有益于振動控制；

2）復合材料基座相較于鋼質基座具有更好的抑制船舶設備振動傳遞的效果，復合材料的使用位置、基體屬性及纖維鋪層角度均會影響基座的減振效果；現無多種復合材料的減振效果對比研究，復合材料基座研究領域仍有較大空白，需要進行更深入的研究。

3）隔振系統與復合材料基座減振相結合，理論上可以更加高效的實現設備振動傳遞的抑制，這應是未來設備振動控制的研究方向之一。