船用彈性吊架隔振計算與試驗分析

趙留平1，朱莉，鄭紹文，劉嵐，王少鵬

(1.海軍裝備部駐武漢地區第二軍事代表室，武漢 430064；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

目前實船空調通風管路系統采用剛性支撐連接，空調通風系統設備和管路的振動通過支撐直接傳遞到甲板，并向艙室和通道等輻射噪聲[1-2]。以往的實船經驗發現，空調通風系統管路由于管壁很薄，管道內風速大[3-4]，導致管壁振動劇烈而產生二次聲輻射，嚴重影響艙室的居住性。因此，針對某典型空調通風管路研制兩種不同形式的彈性吊架，以降低風管振動，衰減艙室的振動噪聲。

1 彈性吊架設計原理

船舶通風系統管路往往沿天花板布置，空間要求吊架不宜過長，且需足以承受系統管路重量[5]。綜合考慮影響隔振性能的主要參數、安裝空間、承載力，提出彈簧型彈性吊架和橡膠型彈性吊架。

1.1 彈簧型彈性吊架

以矩形通風管路為例，該彈簧型彈性吊架安裝見圖1。

圖1 彈簧型彈性吊架及安裝示意

每套彈性吊架裝置包括2個彈簧吊架、1個卡箍、角鋼以及相關緊固件[6]。具體設計原理如下：

1)如圖1a)所示，下蓋板9與外殼15一端焊接，下蓋板9上設置有中間開孔，下螺栓10穿過下蓋板9的中間開孔，并與平墊圈11、彈簧墊圈12、下螺母13固定；上蓋板14設置于外殼15另一端，上蓋板14上設置有中間開孔，橡膠彈簧座4壓入上蓋板14的中間開孔；橡膠套5設置于外殼15中，彈簧6設置于橡膠套5中，上螺栓8穿過壓板7、彈簧6和橡膠彈簧座4，通過上螺母2和墊圈3緊固于上蓋板14上。

當管道受到激勵作用，迫使螺栓8壓縮彈簧6，彈簧6與橡膠套5產生干摩擦阻尼力，并且彈簧6的彈性及橡膠墊圈4的阻尼都具有良好的隔振緩沖作用，從而使得整套吊架裝置具有較好的減振性能。

2)如圖1b)所示，通風管道由卡箍18固定，卡箍18兩側通過下螺栓10連接彈簧吊架，彈簧吊架通過鎖緊螺母1連接角鋼16，角鋼16與船體甲板焊接。

整套彈簧吊架裝置可通過調整相應規格的彈簧吊架、角鋼16、卡箍18，滿足船舶通風系統管路空間安裝需求。

1.2 橡膠型彈性吊架

以圓形風管為例，該橡膠型彈性吊架安裝見圖2。每套彈性吊架包括2個橡膠隔振器、1個卡箍、1個橡膠柔性阻尼環、墊塊、角鋼以及相關緊固件。橡膠型彈性吊架選用體積小的橡膠隔振器，不僅經濟適用性好，而且質量輕、占用空間小；采用不同規格和長度的角鋼，可調節整套裝置的尺寸，以滿足不同空間的安裝需求。

圖2 橡膠型彈性吊架示意圖(以圓形風管為例)

1.3 兩種彈性吊架設計性能特點

1)彈簧型彈性吊架的動剛度比橡膠型彈性吊架小，彈簧型彈性吊架隔振性能優于橡膠型彈性吊架。

2)相比橡膠型彈性吊架，彈簧型彈性吊架的承載力有限。即對于大載荷的管路宜采用橡膠型彈性吊架。這是因為彈簧型彈性吊架的承載能力通過彈簧的截面來調節，當承載值大到一定級別，彈簧的截面隨之增大，彈簧也將失去彈性。

3)相比彈簧型彈性吊架，橡膠型彈性吊架更經濟。

2 彈性吊架隔振性能仿真計算分析

用通用有限元仿真軟件ANSYS對彈簧型彈性吊架和橡膠型彈性吊架進行20～500 Hz范圍內的隔振性能計算。

2.1 彈性吊架參數

1)彈簧型彈性吊架動剛度：K=2.55×105N/m。

重量：～1.5 kg。

2)橡膠型彈性吊架動剛度：K=8.10×105N/m。

重量：～2.0 kg。

2.2 仿真計算模型

在ANSYS中建立隔振系統的有限元網格模型，見圖3，包括船體結構、角鋼、彈性吊架(彈簧型和橡膠型)。其中，管路重心處采用質量單元MASS模擬，橡膠用COMBIN14單元模擬，角鋼結構采用BEAM單元模擬，船體結構采用SHELL單元模擬，邊界條件設為甲板的四周剛固。

圖3 隔振計算有限元模型

模擬實船直徑300 mm、跨度3 m的通風管路，考慮其管路包覆，取其重量為200 kg。將模擬管道的MASS單元設為200 kg，對MASS施加單位加速度激勵。

2.3 仿真計算結果及分析

采用頻響分析方法，計算管路激勵振動通過彈性吊架(彈簧型或橡膠型)傳遞到船體面板的加速度振級落差。彈簧型彈性吊架、橡膠型彈性吊架在1/3倍頻程中心頻率處20～500 Hz頻段范圍內的振級落差變化見圖4。

圖4 振級落差

由圖4可見，該彈簧型彈性吊架和橡膠型器型彈性吊架都有良好的隔振效果，并且彈簧型的隔振效果優于橡膠型器型的隔振效果；兩種彈性吊架和橡膠型彈性吊架的振級落差在20～500 Hz范圍內的變化趨勢一致。這是因為在仿真計算中，兩種吊架的所有參數取值只有動剛度不同。因此，有必要進行艙室模型環境下的試驗，進一步分析彈性吊架的隔振性能。

3 彈性吊架試驗

艙室模型試驗，選用通風管路長3 m，直徑為300 mm，通過彈性吊架安裝于上層甲板。隔振試驗原理見圖5。

圖5 彈性吊架振級落差測試原理示意

通過激振器在彈性吊架的卡箍處進行垂向激勵。在激勵點附近的管壁上布置2個測點，彈性吊架所在甲板附近布置2個測點。對于所有加速度測點的響應信號，通過快速傅里葉變換獲得各測點的振動加速度線譜(有效值)，得到1/3倍頻程譜各個頻段的振動加速度級。頻率范圍為20 Hz～10 kHz，線譜的頻率分辨率為2 Hz；振動加速度級計算的參考值為10-6m/s2。在此基礎上通過計算得到彈性吊架的1/3倍頻程振級落差，見圖6。

由圖6可見，彈簧型彈性吊架明顯優于橡膠型隔振器的隔振效果。兩種彈性吊架在低中頻段(20 Hz～2.5 kHz)范圍內有好的隔振效果，但在高頻段(3.15～10 kHz)，隔振效果并不理想。

圖6 彈性吊架振級落差測試結果

4 結論

1)在相同承載力條件下，彈簧型彈性吊架優于橡膠型彈性吊架的隔振效果；橡膠型彈性吊架承載力范圍廣，經濟適用性強。

2)兩種彈性吊架適用于低中頻段的管路隔振控制。