管路彈性穿艙件隔振與密封技術(shù)

陳國(guó)鋒，李 偉，王 博，李 盼

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

降低設(shè)備和系統(tǒng)管路對(duì)艦船水下輻射噪聲的貢獻(xiàn)，最有效的措施是采取機(jī)械振動(dòng)隔離技術(shù)，如單層隔振、雙層隔振和艙筏等各種形式的隔振裝置[1]，而決定隔振裝置隔振效果的重要部件是阻尼元件。用于隔振裝置的彈性元件主要有隔振器、撓性接管、限位器和管路彈性支撐等。

艦船流體系統(tǒng)管路在穿過(guò)耐壓隔艙壁、金屬圍壁等艙壁時(shí)，為保證所穿艙壁或金屬圍壁的強(qiáng)度與密封，一般采用管路穿艙件，而管路穿艙件直接焊接在艙壁板上。該安裝方式為剛性連接，流體管路的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和流體振動(dòng)激勵(lì)會(huì)直接傳遞到艙壁上，從而誘發(fā)艙壁的振動(dòng)[2 ?3]。從艦船流體系統(tǒng)管路中采用的管路支吊架彈性安裝、管路阻尼包覆等減振降噪技術(shù)的應(yīng)用效果來(lái)看[4?5]，采用含有阻尼元件的管路穿艙連接技術(shù)可解決現(xiàn)有剛性穿艙連接存在的振動(dòng)傳遞問(wèn)題，而艦船艙壁為承壓面，在滿足隔振要求的同時(shí)，彈性穿艙件不能破壞艙壁的承壓能力，因此要求彈性穿艙件達(dá)到與艙壁相同的承壓能力。

本文設(shè)計(jì)一種彈性穿艙件，對(duì)其隔振特性和隔艙密封特性進(jìn)行分析，并通過(guò)仿真驗(yàn)證隔振性能和隔艙密封性能。

1 隔振與密封分析

1.1 隔振技術(shù)分析

阻尼技術(shù)是目前減振降噪的主要手段之一，具有在基本不改變?cè)O(shè)計(jì)及安裝的情況下進(jìn)行有效減振降噪。在隔振對(duì)象上進(jìn)行阻尼處理主要有2 種形式：自由阻尼和約束阻尼。穿艙件為兩段，均需固定，因此采用約束阻尼結(jié)構(gòu)。為減少流體振動(dòng)能量沿管路向艙壁的傳遞，通過(guò)在過(guò)流管和固定管之間設(shè)置一層彈性體（又稱“阻尼層”），如圖1 所示。采用阻尼隔振技術(shù)的穿艙件為內(nèi)外管環(huán)形約束阻尼結(jié)構(gòu)，基層為過(guò)流管，阻尼層為彈性體，約束層為安裝環(huán)。約束阻尼結(jié)構(gòu)除了在阻尼層發(fā)生剪切變形外，還產(chǎn)生拉壓變形，但主要通過(guò)剪切變形耗散振動(dòng)能量[6]。

圖1 環(huán)形約束阻尼結(jié)構(gòu)Fig.1 Ring constrained damped structure

通常用損耗因子來(lái)表征阻尼材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。根據(jù)RKU 理論計(jì)算公式，對(duì)于單層約束阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)損耗因子可以表示為[7]：

式中：β 為阻尼層材料損耗因子；X 為剪切參數(shù)；Y 為剛度參數(shù)。

相比與自由阻尼結(jié)構(gòu)，約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振效果更好，但減振效果影響因素也更加復(fù)雜，其不僅與彈性體的阻尼因子有關(guān)，而且與彈性體厚度有關(guān)。研究結(jié)果表明[8]，復(fù)合損耗因子隨厚度的增加而增大，但當(dāng)阻尼層/基層厚度比大于1.5 時(shí)，復(fù)合損耗因子tanδ值增加緩慢，考慮到性能與增重的關(guān)系，且艦艇艙壁開(kāi)口尺寸必須滿足艙壁的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)要求，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)取阻尼層與基層的厚度比為1.5～2。

1.2 隔艙密封技術(shù)分析

相比于剛性穿艙件，彈性穿艙件由于增加阻尼層，也就相應(yīng)地增加了泄漏的傳遞路徑，主要是彈性體與過(guò)流管和彈性體與安裝管的接觸面，如圖2 所示。為了達(dá)到與艙壁相同的隔艙密封效果，如采用裝配式密封方式，安裝時(shí)需對(duì)彈性體施加預(yù)緊力，通過(guò)預(yù)緊的彈性體進(jìn)行密封，彈性體材料的非線性力學(xué)特性，在預(yù)緊變形后的徑向剛度增大，將會(huì)影響隔振效果。

圖2 隔艙密封示意圖Fig.2 Schematic diagram of bulkhead sealing

因此，為了不降低彈性體的隔振性能，采用整體硫化密封方式，彈性體在過(guò)流管和安裝管之間整體硫化成型，彈性體與過(guò)流管和彈性體與安裝管的接觸面實(shí)現(xiàn)硫化聯(lián)接，其粘接強(qiáng)度可達(dá)4.0 MPa 以上，其密封可靠彈性體自身強(qiáng)度以及彈性體與金屬元件的粘結(jié)強(qiáng)度保證。

2 隔振與密封效果評(píng)估

2.1 彈性穿艙件模型

為了滿足大口徑流體管路的彈性穿艙需求，設(shè)計(jì)一種DN200 法蘭型彈性穿艙件。該彈性穿艙件包括過(guò)流管、彈性體、固定環(huán)、接口法蘭、等部件，如圖3 所示。

圖3 彈性穿艙件三維模型圖Fig.3 Drawing of the three dimensional model of flexible piping penetration

法蘭型彈性穿艙件在過(guò)流管（基層）和外固定環(huán)（約束層）之間設(shè)置一層環(huán)形彈性體（阻尼層），彈性體采用橡膠材料。穿艙件基層壁厚7 mm，彈性體厚度13 mm，彈性體與基層厚度比為1.85。同時(shí)采用整體硫化密封工藝，通過(guò)將過(guò)流管、外固定環(huán)、彈性體硫化成整體部件后，彈性體與各金屬接觸面形成硫化聯(lián)接，以達(dá)到要求的密封能力。

2.2 隔振特性仿真分析

以DN200 法蘭型彈性穿艙件為例，利用非線性結(jié)構(gòu)有限元軟件Abaqus，采用直接積分動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)含有彈性體和不含彈性體的2 種穿艙結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行頻響對(duì)比分析?？紤]到有限元分析模型的需要，對(duì)模型固定基座、外固定環(huán)、彈性體和過(guò)流管等進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。圖4 為頻響分析模型，約束施加在固定基座的底部，單位激振力施加于過(guò)流管端面中心，激振力方向?yàn)閆 向，加速度測(cè)量點(diǎn)選擇在固定基座的頂端角點(diǎn)上。加速度測(cè)量點(diǎn)選擇在固定基座的頂端角點(diǎn)上，約束反力為另一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，取為約束面上所有節(jié)點(diǎn)力的合力，合力作用點(diǎn)位于約束面中心。

圖4 模型邊界條件及激振力示意圖Fig.4 Schematic diagram of model boundary condition and excitation force

圖5 Z 向加速度對(duì)比Fig.5 The comparison of acceleration in Z axis

圖5 為加速度測(cè)量點(diǎn)上Z 方向的加速度仿真結(jié)果。可以看出，剛性連接時(shí)，曲線有多個(gè)加速度尖峰。這些峰值均位于結(jié)構(gòu)固有模態(tài)附近，由于鋼材結(jié)構(gòu)阻尼很小，振動(dòng)加速度峰值較大。相比較而言，采用阻尼隔振技術(shù)彈性連接時(shí)，加速度峰值要小得多，尤其是在中高頻段，振動(dòng)主要集中在過(guò)流管本身的剛體模態(tài)上，傳遞到固定基座的振動(dòng)非常小，振動(dòng)能被有效隔離。

2.3 隔艙密封仿真分析

彈性穿艙件的隔艙密封主要靠彈性體自身強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)，在隔艙密封壓力作用時(shí)，彈性體受力變形滿足材料本身強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度要求即可。將材料數(shù)據(jù)代入有限元模型中，在穿艙件彈性體及管路截面（軸向）一端加載密封壓力，考慮該穿艙件安裝于2.5 MPa 承壓艙壁中，因此加載壓力選2.5 MPa。經(jīng)仿真計(jì)算，彈性體最大應(yīng)力為1.15 MPa，遠(yuǎn)小于16.0 MPa拉伸強(qiáng)度，彈性體與金屬粘結(jié)面剪切應(yīng)力小于1 MPa，滿足隔艙密封要求。

圖6 彈性穿艙件隔艙密封性能應(yīng)力云圖Fig.6 The stress nephogram of bulkhead sealing performance of flexible piping penetration

3 結(jié) 語(yǔ)

1）采用含有彈性體的穿艙件，可有效降低艦船流體管路的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和流體振動(dòng)激勵(lì)向艙壁的傳遞。

2）艦船總體空間有限條件，在滿足結(jié)構(gòu)尺寸要求的前提下，彈性穿艙件既具有較好的隔振性能，又能滿足艙壁的隔艙密封要求。