船舶典型管路系統(tǒng)低噪聲設(shè)計(jì)研究

柴 凱，樓京俊，朱石堅(jiān)，豐少偉

（海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，武漢430033）

管路系統(tǒng)被稱為船舶的“血管”，主要用于輸送油、水、氣等各類介質(zhì)，在保障船舶航行、機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和艦員日常生活等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。例如管路為主機(jī)、輔機(jī)、炮管等諸多設(shè)備提供燃油、潤(rùn)滑油和冷卻水以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行；為空調(diào)、飲用水等生活保障系統(tǒng)輸送新鮮空氣、淡水以保障艦員正常生活；化學(xué)滅火、消防損管等安全系統(tǒng)同樣布置了大量的管路。但管路系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)介質(zhì)傳輸功能的同時(shí)，也伴隨著振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲通過(guò)管路傳至船體結(jié)構(gòu)，成為制約船舶聲隱身性能的重要因素。管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲一方面影響管路系統(tǒng)的工作性能，縮短管路元件的壽命，甚至造成管路接頭松動(dòng)，引起流體泄漏和管路破損，嚴(yán)重時(shí)造成主、輔機(jī)停機(jī)而失去動(dòng)力；另一方面，一些管路元件在一定程度上充當(dāng)了振動(dòng)傳遞的“橋梁”，強(qiáng)烈的振動(dòng)將會(huì)造成主、輔機(jī)某些應(yīng)力集中部位發(fā)生破壞[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲機(jī)理和控制技術(shù)開(kāi)展大量研究工作，取得了豐碩的研究成果。美國(guó)海軍研制了一種新型智能緩沖隔振裝置，可有效降低核潛艇管路系統(tǒng)在作戰(zhàn)條件下所受沖擊載荷[3]。英國(guó)國(guó)防局設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)式管道接頭，可有效降低管路連接處的脈沖激勵(lì)[4]。Ahmadi等開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)用于充液管路的三維吸振器，取得了很好的減振降噪效果[5]。和國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)管路振動(dòng)噪聲理論研究起步相對(duì)較晚，但同樣取得飛躍式成果。儀垂杰等從管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)聲輻射基本規(guī)律出發(fā)，討論了管路結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的聲輻射效率、聲場(chǎng)能量分布等與外界激勵(lì)、系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系[6]。閏祥安等利用有限元法建立了潛艇往復(fù)泵及其管路系統(tǒng)的理論模型，通過(guò)結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析得到管路系統(tǒng)固有頻率及振型分布規(guī)律，同時(shí)提出了一些管路減振降噪措施[7]。尹志勇等對(duì)撓性接管、空氣消聲器、阻尼包覆等管路元件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的適用性及需求進(jìn)行了分析，采用阻抗-導(dǎo)納綜合法設(shè)計(jì)了一種船舶管路系統(tǒng)的振動(dòng)頻域響應(yīng)預(yù)測(cè)方法[8]。

綜合分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，目前研究主要局限于管路系統(tǒng)振動(dòng)控制元件以及控制方法，從系統(tǒng)整體優(yōu)化方面對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)控制的研究較少，鮮有關(guān)于安裝因素對(duì)整個(gè)管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲影響的研究。本文以船舶典型管路系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于傳遞矩陣法建立典型管路元件的傳遞矩陣，給出其固有頻率和振動(dòng)響應(yīng)，設(shè)計(jì)低噪聲優(yōu)化模型，通過(guò)有限元計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證模型的正確性和有效性。

1 船舶管路系統(tǒng)振動(dòng)特性分析

1.1 整體結(jié)構(gòu)模型分析

為便于分析管路系統(tǒng)的振動(dòng)特性，將管路系統(tǒng)簡(jiǎn)化為如圖1所示的閉式結(jié)構(gòu)，其主要部件包括：直管、彎管、彈性支撐、振源（泵、電機(jī)等）以及撓性接管等。振源為泵，泵進(jìn)水和出水管路與壓力水筒連接，形成環(huán)形回路；管路系統(tǒng)水泵出口處安裝有撓性接管，彈性支撐位于水泵出口與壓力水筒進(jìn)口之間的U型工作管段上。泵產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)撓性接管、直管、彎管等元件沿著水流方向進(jìn)行傳遞，同時(shí)還通過(guò)彈性支撐傳遞至基座。

1.2 傳遞矩陣分析

船舶典型管路系統(tǒng)由許多管段、元件和支撐組成，在不考慮各部件運(yùn)動(dòng)之間的相互作用時(shí)，相關(guān)管路元件可獨(dú)立劃分為傳遞矩陣單元，通常直管等分布質(zhì)量參數(shù)模型的傳遞矩陣為場(chǎng)傳遞矩陣，而彈性支撐等集中質(zhì)量參數(shù)模型的傳遞矩陣為點(diǎn)傳遞矩陣[9]。直管是管路系統(tǒng)的基本部件，彎管可離散為多段通過(guò)拐點(diǎn)連接的直管，形狀規(guī)則的撓性接管也可簡(jiǎn)化為直管，因此先分析直管傳遞矩陣模型，基于直管模型再分析撓性接管和彎管的數(shù)學(xué)模型。

圖1 船舶典型管路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型

考慮到充液直管的軸對(duì)稱性，取管道軸線方向?yàn)閦軸，垂直方向?yàn)閤軸，水平切線方向?yàn)閥軸，建立直角坐標(biāo)系，具體如圖2所示。

圖2 直管的坐標(biāo)系構(gòu)建

假設(shè)充液直管內(nèi)徑為R，壁厚為d，管長(zhǎng)為l，正應(yīng)力為σ，剪應(yīng)力為τ，管壁內(nèi)任取一微元體進(jìn)行受力分析，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理和位移連續(xù)條件[10]得到充液直管的振動(dòng)傳遞矩陣Tp：其中：Tfp、Txz、Tyz和Ttz分別為軸向、xoz平面和yoz平面、扭轉(zhuǎn)的傳遞矩陣，其中軸向和兩個(gè)垂直的橫向振動(dòng)均為4階，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為2階，且四者互不耦合，組合可得直管的14階總傳遞矩陣。

法蘭、彈性支撐、撓性接管和彎管的簡(jiǎn)化模型分別如圖3所示。

如圖3（a）所示，法蘭形狀較規(guī)則，假設(shè)法蘭內(nèi)徑為d，外徑為D，厚度為h，密度為ρP，流體密度為ρf，可依次算出法蘭質(zhì)量Mp，內(nèi)部流體質(zhì)量Mf以及繞x、y和z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ix、Iy和Iz，同時(shí)令充液法蘭的總質(zhì)量M=Mp+Mf。根據(jù)達(dá)朗貝爾原理和位移連續(xù)條件得到法蘭的傳遞矩陣Tf：

彈性支撐是指支撐點(diǎn)剛度不隨頻率變化的支撐，它可以用彈簧代替，剛度矩陣為對(duì)角陣[12]，將其簡(jiǎn)化如圖3（b）所示。假設(shè)彈性支撐在6個(gè)自由度的剛度分別為kx、ky、kz，、ktx、kty、ktz；彈性支撐質(zhì)量為m，彈性支撐繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Ix、Iy和Iz，根據(jù)支撐反力向量N與位移向量U的關(guān)系得到彈性支撐的傳遞矩陣Ts：

撓性接管主要用作隔振設(shè)備的各種進(jìn)出管路的過(guò)渡聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)形式很多，所用的橡膠或者金屬材料屬性十分復(fù)雜[13]。但對(duì)于一些形狀規(guī)則的撓性接管，仍可以將其簡(jiǎn)化為如圖3（c）所示的直管模型。采用直管傳遞矩陣類似的方法，可得撓性接管橫向振動(dòng)傳遞矩陣和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)傳遞矩陣，各傳遞矩陣之間互不耦合，組合即可得到撓性接管的整體傳遞矩陣[14]。

對(duì)于圓弧形彎管，工程上常按多段斜接的直管離散模型將其離散，具體如圖3（d）所示[15]。將彎管的彎曲部分均勻地劃分為N段直管單元，各單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接，假設(shè)彎管彎曲半徑為R，彎曲角度為Φ，則相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)拐角，依據(jù)達(dá)朗貝爾原理和位移連續(xù)條件可得：

其中：Tp為直管傳遞矩陣，Tp1為離散后彎管端部節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)矩陣，Tp2為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)矩陣。

1.3 振動(dòng)特性分析

管路系統(tǒng)振動(dòng)特性邊界條件包括流體和結(jié)構(gòu)邊界條件。邊界條件與管路始末兩端的約束有關(guān)。本文僅討論兩個(gè)典型的邊界單元：法蘭和通?？?。將法蘭簡(jiǎn)化為管端一軸對(duì)稱質(zhì)量，流道作為開(kāi)路或閉路的邊界條件；通?？谝话愎潭ㄔ诖w結(jié)構(gòu)上，其結(jié)構(gòu)邊界條件為固定約束條件。

圖3 不同管路元件的簡(jiǎn)化模型

在傳遞矩陣法中引入邊界條件目的是要在始末端得到兩個(gè)狀態(tài)向量，使得末端狀態(tài)向量中的已知個(gè)數(shù)與始端中未知量個(gè)數(shù)一致，以便于求解。以一個(gè)始末兩端邊界單元均為開(kāi)口直管（自由-開(kāi)口）的管路系統(tǒng)為例。其中已知狀態(tài)向量用VK1、VKn表示。原來(lái)的始末兩端狀態(tài)向量稱為未知狀態(tài)向量，用V1、Vn表示。其始末端兩端結(jié)構(gòu)和管內(nèi)流體的邊界條件為：F1=0，P1=0；Fn=0，Pn=0，由此得到始末兩端已知狀態(tài)向量分別為

傳遞矩陣是頻率的函數(shù)。對(duì)確定的管路系統(tǒng)，當(dāng)ω=ω0時(shí)，其兩端狀態(tài)向量滿足傳遞關(guān)系：Vn=T(ω0)V1，同時(shí)滿足邊界條件：V1=VK1，Vn=VKn，那么ω0是管路系統(tǒng)的一個(gè)固有頻率。通過(guò)矩陣變換可以將兩端已知狀態(tài)向量寫成已知變量與未知變量的形式（上標(biāo)K表示已知，U表示未知），則此時(shí)傳遞關(guān)系為

由式(7)可得：

式中：Ve=VnK-TKK(ω)V1K稱為系統(tǒng)的激勵(lì)向量。當(dāng)

邊界條件可以用傳遞矩陣的形式來(lái)表示，并稱此傳遞矩陣為邊界點(diǎn)矩陣，用TB表示?！白杂?開(kāi)口”的邊界點(diǎn)矩陣為系統(tǒng)自由振動(dòng)時(shí)，有VnK=V1K=0，因此得到：

式(9)即為系統(tǒng)的頻率方程。TKU(ω)為系統(tǒng)的頻率矩陣。求解此方程即可得到系統(tǒng)的固有頻率。

取艦船典型管路系統(tǒng)的U型工作段作為研究對(duì)象，建立如圖4所示的工作管段的有限元模型，其主要部件包括直管、彎管、彈性支撐、振源（泵、電機(jī)等）以及撓性接管，在該管路系統(tǒng)內(nèi)均勻等間隔地布置4個(gè)彈性支撐，并且在泵的出口處安裝了撓性接管。為對(duì)比分析傳遞矩陣模型的正確性，利用傳遞矩陣法以及有限元法分析其振動(dòng)特性。管路系統(tǒng)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料屬性如表1所列。

圖4 管路系統(tǒng)計(jì)算模型

表1 仿真管路材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)

為驗(yàn)證傳遞矩陣計(jì)算方法的正確性，將傳遞矩陣?yán)碚撆c有限元仿真兩種方法的管路系統(tǒng)固有頻率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體如表2所列，由表2可知兩種方法吻合程度較好。

表2 管路系統(tǒng)的固有頻率/Hz

圖5 管路系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比圖

此外，為進(jìn)一步驗(yàn)證傳遞矩陣方法的準(zhǔn)確性，在管路系統(tǒng)計(jì)算模型中的進(jìn)口端施加一沿垂直方向的單位激勵(lì)力，并得到了管路末端指定點(diǎn)垂直方向上的振動(dòng)響應(yīng)。如圖5所示為系統(tǒng)指定點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比頻譜圖。由圖可知，計(jì)算結(jié)果與有限元仿真結(jié)果比較吻合，證明了傳遞矩陣計(jì)算方法和程序的正確性。同時(shí)，管路系統(tǒng)由于泵的復(fù)雜振動(dòng)、元件及介質(zhì)的耦合作用，存在多物理場(chǎng)、多尺度及流固耦合非線性等特性，振動(dòng)特性非常復(fù)雜。管路系統(tǒng)的非線性不僅體現(xiàn)在流體流動(dòng)方程是非線性的，而且耦合運(yùn)動(dòng)的特性將隨著結(jié)構(gòu)振動(dòng)的幅值不同而變化。而非線性系統(tǒng)普遍存在多值性，相應(yīng)的幅頻特性曲線的骨架線不是直線，可能朝頻率增大方向或較小方向彎曲，從而使整個(gè)曲線族朝一側(cè)傾斜，產(chǎn)生單個(gè)頻率對(duì)應(yīng)多個(gè)振動(dòng)加速度的情況。

2 有限元仿真分析

2.1 有限元建模

整個(gè)管路系統(tǒng)中直管是最基本的構(gòu)件，在ABAQUS有限元軟件中建立直管模型，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)與表1所列相同。

彎管在有限元軟件中的建模過(guò)程較為復(fù)雜，可通過(guò)掃掠方式實(shí)現(xiàn)。彎管管段實(shí)際長(zhǎng)度為250 mm，彎曲半徑為0.5 m，管道外徑為89 mm的彎管的彎曲角度α為90°。

考慮到彈性支撐對(duì)稱性將其簡(jiǎn)化為彈簧結(jié)構(gòu)，卡箍裝置可簡(jiǎn)化為剛性套圈緊固在管道，卡箍?jī)?nèi)環(huán)以coupling 接觸形式連接兩相互垂直彈簧，形成彈性支撐簡(jiǎn)化模型。

在管路系統(tǒng)進(jìn)口處安插附有橡膠屬性的撓性接管，形式采用雙球體，其長(zhǎng)度為135 mm，橫向拉伸為10 mm，軸向拉伸為6 mm，軸向壓縮為12 mm，偏轉(zhuǎn)角度為15°。管路元件見(jiàn)圖6。

根據(jù)管路元件的建模方法，建立如圖7所示的管路系統(tǒng)低噪聲設(shè)計(jì)模型，具體包含直管、彎管、彈性支撐、撓性接管和閥門等構(gòu)件。右端管口為管路系統(tǒng)的進(jìn)口，依次經(jīng)過(guò)直管、閥門、雙球體撓性接管、彎管、彈性支撐，通向左邊末端的出口。右邊末端是電機(jī)激勵(lì)，進(jìn)口處安裝閥門（黃色區(qū)域），撓性接管安裝在振源附近，達(dá)到減振降噪的目的。在模型左端管路進(jìn)口處的指定激勵(lì)點(diǎn)上，作用單位激勵(lì)力以模擬電機(jī)所產(chǎn)生的頻率為50 Hz激勵(lì)。彈簧一端處于固支狀態(tài)，一端和管路指定連接點(diǎn)連接，整個(gè)模擬管路系統(tǒng)除所使用彈性支撐被基座固定外，其余部分均處于自由狀態(tài)。

圖6 管路元件有限元模型

圖7 典型管路系統(tǒng)有限元模型

2.2 有限元結(jié)果分析

為驗(yàn)證管路系統(tǒng)模型中撓性接管的隔振效果，選取撓性接管進(jìn)出口兩點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比分析，由圖8可知，撓性接管具有良好的隔振效果。

圖8 撓性接管進(jìn)出口處振動(dòng)響應(yīng)頻譜圖

為分析彎管振動(dòng)的傳遞規(guī)律，選取彎管前后兩端位置點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。由圖9可知，彎管前后的振動(dòng)加速度級(jí)變化不明顯，在100 Hz附近彎管后端的振動(dòng)響應(yīng)有所增大，而在其它頻段內(nèi)彎管前后兩端的振動(dòng)響應(yīng)幾乎一致，單根彎管對(duì)管路系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性并沒(méi)有太大的影響。

圖9 彎管前后端振動(dòng)響應(yīng)頻譜圖

3 試驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)架如圖10所示，主要由電機(jī)、泵、直管、彎管、撓性接管、彈性支撐和測(cè)試系統(tǒng)等組成，它不僅能較真實(shí)地模擬船舶典型管路系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而且可以較好地驗(yàn)證管路系統(tǒng)低噪聲設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)臺(tái)架所用管路材料以及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所列。

圖10 管路系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架

典型船舶低噪聲設(shè)計(jì)管路系統(tǒng)基本構(gòu)成：

（1）電機(jī)、泵：CLG型臥式離心泵出口壓力為0.32 MPa，電機(jī)功率為15 kW，額定轉(zhuǎn)速為3 000r/min，頻率為50 Hz；

表3 試驗(yàn)管路材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)

（2）撓性接管：實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中所用的DN80型雙球體橡膠撓性接管通過(guò)法蘭連接在管路系統(tǒng)中，其長(zhǎng)度為135 mm，橫向拉伸為10 mm，軸向拉伸為6 mm，軸向壓縮為12 mm，偏轉(zhuǎn)角度為15°；

（3）彈性支撐：規(guī)格為DN80，用于外徑為90 mm的管道，彈性支撐內(nèi)附規(guī)格為BE-60型隔振器，其x向額定載荷為22 kg，z、y方向的額定載荷為44 kg。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要任務(wù)是測(cè)試在電機(jī)以及穩(wěn)定流體激勵(lì)作用下管路系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度響應(yīng)，驗(yàn)證低噪聲設(shè)計(jì)模型的正確性。在安裝好各個(gè)測(cè)點(diǎn)的傳感器之后，將電機(jī)通電運(yùn)行并帶動(dòng)臥式安裝的水泵一起運(yùn)轉(zhuǎn)，待系統(tǒng)在電機(jī)以及管內(nèi)流體激勵(lì)的作用下形成穩(wěn)定工況后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

試驗(yàn)以數(shù)據(jù)采集儀所采集的撓性接管進(jìn)出口三向加速度測(cè)點(diǎn)A1 和A2、彎管前后單向傳感器測(cè)點(diǎn)1#和2#的振動(dòng)加速度響應(yīng)作為實(shí)驗(yàn)分析的表征參數(shù)，分析管路系統(tǒng)在不同試驗(yàn)方案下在10 Hz～1 000 Hz頻段內(nèi)的振動(dòng)加速度級(jí)（dB）。測(cè)點(diǎn)位置如圖11所示。

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，水泵轉(zhuǎn)速保持2 900 r/min不變，管內(nèi)流量為100 t/h。當(dāng)電機(jī)和水泵工作時(shí)，工作流體從壓力水筒流出，經(jīng)過(guò)兩個(gè)剛性支撐架支撐的直管進(jìn)入試驗(yàn)工作段（U型管段），經(jīng)過(guò)循環(huán)之后，最后又回流至壓力水筒。

圖11 測(cè)點(diǎn)布置位置示意圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證總體試驗(yàn)方案所用撓性接管隔振效果，在工作段撓性接管的進(jìn)出口處安裝有三向加速度傳感器，測(cè)量撓性接管在電機(jī)與泵滿載工作的狀態(tài)下X、Y以及Z向的振動(dòng)響應(yīng)，采集測(cè)點(diǎn)A1 和A2的數(shù)據(jù)，分析其振動(dòng)傳遞特性。

由圖12可知，在頻率約在100 Hz和500 Hz附近時(shí)，出現(xiàn)了出口處振動(dòng)加速度級(jí)高于進(jìn)口處或振動(dòng)加速度級(jí)下降不明顯的現(xiàn)象，即撓性接管在此處存在一個(gè)共振點(diǎn)，此時(shí)振幅最大。因此，以100 Hz 和500 Hz作為頻率分界點(diǎn)進(jìn)行分析，撓性接管在10 Hz～100 Hz頻段范圍隔振效果較差，在500 Hz～1 000 Hz頻段范圍其隔振效果十分顯著，其中撓性接管在Y軸方向上的隔振效果最好，進(jìn)出口前后振級(jí)相差25 dB，X軸、Z軸方向次之。由此可知撓性接管在低頻段的隔振效果較差，甚至出現(xiàn)振動(dòng)加劇，而在500 Hz～1 000 Hz頻段內(nèi)，隔振效果比較明顯。

圖12 撓性接管進(jìn)出口處的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

在試驗(yàn)管路系統(tǒng)中設(shè)置一段彎管，通過(guò)試驗(yàn)探究了撓性接管安裝在彎管前端和彎管后端對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞的影響，如圖13所示。撓性接管的兩個(gè)安裝位置分別為位置1和位置2，以其出口處的振動(dòng)加速度級(jí)為表征參數(shù)，采集兩種不同位置工況下?lián)闲越庸艹隹谔帨y(cè)點(diǎn)A2的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)其所受到的安裝位置影響開(kāi)展研究。

圖13 不同位置撓性接管安裝示意圖

圖14 撓性接管不同安裝位置工況下的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

由圖14可知，撓性接管在10 Hz～1 000 Hz頻段內(nèi)X、Y、Z三向的振動(dòng)加速度級(jí)相差很小。根據(jù)不同位置撓性接管出口處的振動(dòng)傳遞特性發(fā)現(xiàn)，兩種工況下相同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)相差很小，說(shuō)明無(wú)論是撓性接管與水泵出口直接相連（即安裝在彎管前端）或是連接在水泵出口的彎管后端，其對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞影響較小。這對(duì)實(shí)船的撓性接管的安裝位置以及維修保養(yǎng)有著重要意義，撓性接管安裝在管路系統(tǒng)不同位置比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：撓性接管的布置應(yīng)盡量靠近振動(dòng)源，若船上實(shí)際安裝空間不允許，可根據(jù)空間位置適當(dāng)調(diào)整撓性接管與振動(dòng)源的相對(duì)位置，調(diào)整的位置應(yīng)盡量靠近振動(dòng)源。

由圖15可知，撓性接管安裝在彎管前段，低頻振動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)，但峰值差別并不大；而對(duì)于1 000 Hz的高頻振動(dòng)降低較為明顯。

圖15 撓性接管安裝位置不同時(shí)x軸方向振動(dòng)響應(yīng)頻譜對(duì)比

采集彎管前后測(cè)點(diǎn)1#和2#數(shù)據(jù)，分析其振動(dòng)傳遞特性。由圖16可知，彎管前后的振動(dòng)加速度級(jí)并沒(méi)有大落差，由此可以推知單個(gè)彎管對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞影響較小，但這并不能推斷出布置一定數(shù)量的彎管對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)特性的影響不大，管路系統(tǒng)的振動(dòng)特性可能會(huì)隨彎管數(shù)量的增多而發(fā)生較大的改變，從而不利于系統(tǒng)的減振降噪。在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)販p少系統(tǒng)中的彎管數(shù)量。

圖16 彎管前后振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文以船舶典型管路系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一種綜合考慮管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體性能和實(shí)船安裝因素的低噪聲設(shè)計(jì)方法。利用傳遞矩陣法計(jì)算管路系統(tǒng)固有頻率等振動(dòng)特性并對(duì)比驗(yàn)證了傳遞矩陣?yán)碚摰恼_性，利用仿真以及試驗(yàn)手段驗(yàn)證了低噪聲設(shè)計(jì)模型的有效性。主要工作和結(jié)論總結(jié)如下：

（1）用傳遞矩陣?yán)碚摻⒘舜暗湫凸苈废到y(tǒng)低噪聲設(shè)計(jì)模型。該傳遞矩陣模型能有效地對(duì)管路系統(tǒng)相關(guān)元件模型進(jìn)行理論計(jì)算，可以準(zhǔn)確地分析管路系統(tǒng)振動(dòng)特性。

（2）建立了管路系統(tǒng)ABAQUS有限元模型。該模型能夠準(zhǔn)確地模擬管路系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性，利用有限元軟件強(qiáng)大的后處理功能對(duì)模型進(jìn)行了振動(dòng)特性分析，仿真結(jié)果符合工程實(shí)際規(guī)律。

（3）船舶典型管路系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置合理，工況穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析和有限元仿真計(jì)算的正確性。利用試驗(yàn)結(jié)果分析了撓性接管的安裝位置影響、彎管前后的振動(dòng)傳遞規(guī)律，并針對(duì)撓性接管以及彎管提出了幾點(diǎn)低噪聲安裝建議。