遠洋客船空調機組基座結構減振性能分析

束偉宏,王一飛,吳天歌

(1.中海油服湛江分公司船舶作業(yè)公司,廣東 湛江 524057;2.中船郵輪科技發(fā)展公司,上海 200137;3.江蘇科技大學 能源與動力學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

船舶動力設備通常采用減振措施以降低振動對船體結構的危害[1-2]。除了浮筏隔振、雙層隔振和單層隔振之外,基座結構減振也是一種重要的減振方式?；Y構是傳遞振動的重要通道。由于受到諸多因素的限制,目前對于船舶動力設備基座振動控制的研究成果還不是十分豐富,主要有復合基座結構的減振性能分析[3]和阻尼材料對基座減振性能的影響[4-6]等,需進一步深入研究基座隔振問題。

本文采用有限元分析法對遠洋客船空調機組基座結構減振性能進行分析,并研究腹板位置、阻振結構塊位置和阻尼層對基座減振性能的影響規(guī)律。

1 基座結構的有限元模型

利用SOLIDWORKS軟件建立基座減振系統模型,見圖1。采用雙層式底板,底板上下兩層長×寬為1 775 mm×1 240 mm的平板,兩段板間距100 mm,用6根肋板連接,橫向肋長1 525 mm、縱向肋長1 200 mm,肋板厚度固定為12 mm。

圖1 基座減振系統模型

2 基座模態(tài)及減振性能分析

空調機組基座結構在約束狀態(tài)下,其前六階模態(tài)頻率和振型見圖2。

圖2 基座前六階振型

采用加速度振級落差作為評價指標,其定義為

式中:Lp為加速度振級落差,dB;ai、aj分別基座上面板和下面板i、j處的加速度,m/s2。

對基座進行諧響應分析,激力幅值為100 N,計算0～1 000 Hz頻段的加速度響應,得到加速度振級落差曲線見圖3。從圖3可以看出:在0～400 Hz頻段,基座的減振性能隨著頻率的增加緩慢增大;在400～800 Hz頻段,加速度振級落差曲線呈現出峰谷交替并逐漸下降的波動趨勢;在基座的固有頻率附近,振級落差明顯變差。

圖3 基座結構減振性能曲線

3 阻振質量塊位置對基座減振特性的影響

根據基座模型,在基座腹板中部布置一個阻振質量塊結構,見圖4。

圖4 阻振質量塊布置位置示意圖

阻振質量塊位于基座結構中的腹板與底板交接位置,距離基座底板的高度h為0,將h分別調整為50 mm和100 mm,其他邊界條件不變,分析阻振質量塊位置對基座結構的模態(tài)特性和減振性能的影響規(guī)律,見表1和圖5。

表1 阻振質量塊不同位置時的基座模態(tài)頻率 單位:Hz

圖5 不同高度下的振級落差

從表1中可以看出,基座結構的模態(tài)頻率隨阻振質量塊位置的上移而減小。在3種不同位置阻振質量塊的情況下,阻振質量塊布置位置越高,基座結構的模態(tài)頻率越低。

從圖5中可以看出:布置阻振質量塊后基座結構的整體減振性能隨之提升,并且中高頻段共振峰值有所降低;阻振質量塊的位置越往下基座結構的減振性能越好。這主要是由于阻振質量塊相較于基座面板具有較大的阻抗,使得基座結構阻抗失配,基座傳遞到阻振質量塊的振動形成散射和反射,只有小部分的振動能夠通過,從而達到了更好的減振效果。相對其他位置,h=0時的阻振結構處于兩板連接處,能有效提高基座整體剛性,提升基座的整體抗扭和抗彎剛度,阻抗失配更明顯。

4 阻尼層對基座減振性能的影響

在原有基座結構肋板和腹板的表面分別敷設2、6、10 mm 3種不同厚度的阻尼層,見圖6。其他參數不變,通過有限元方法,對敷設約束阻尼層的基座結構進行減振性能分析。

圖6 基座約束阻尼層示意圖

不同阻尼層厚度情況下減振系統的約束模態(tài)固有頻率見表2。由表2可知,阻尼層厚度變化對基座結構的模態(tài)頻率影響很小。這是由于阻尼材料剛度比基座腹板的結構鋼小很多,增加的質量也很小,因此當阻尼層厚度增大時,模態(tài)頻率變化很小。

表2 不同阻尼層厚度時基座的模態(tài)頻率單位:Hz

不同阻尼層厚度時基座的減振性能見圖7。從圖7中可以看出:基座加速度振級落差曲線在1～200 Hz頻段變化趨勢基本一致,3種不同厚度阻尼材料振級落差曲線相似;在400～800 Hz頻段,加速度振級落差隨著阻尼層厚度增加而增加。因此,選擇10 mm厚阻尼層可在中頻率區(qū)間段取得良好的減振效果。

圖7 不同厚度阻尼層振級落差曲線

當其他條件和系統參數不變時,阻尼層的布置位置對基座的模態(tài)頻率和減振性能的影響見表3和圖8。其中,阻尼層厚度為10 mm,敷設位置分別為腹板和肋板敷設、僅腹板敷設和僅肋板敷設。

表3 阻尼層位置對基座的模態(tài)頻率的影響 單位:Hz

圖8 阻尼層位置對基座振級落差的影響曲線

從表3中可以看出,敷設阻尼層的位置對基座結構的模態(tài)頻率影響很小,不同阻尼層位置時基座的模態(tài)頻率差別在1%以內。

由圖8中可以看出:所有敷設阻尼層的方案都能提高基座結構的減振性能;在中低頻段,腹板加肋板敷設阻尼層時基座的減振效果最好,僅在腹板上敷設阻尼層時基座的減振效果最差。

5 結論

(1)布置阻振質量塊和敷設阻尼層都可以提高基座結構的減振性能。

(2)在基座中添加阻振質量塊可以提高基座結構的減振性能,其中在腹板與基座位置添加阻振結構時效果最好。

(3)阻尼層可以提高基座結構的減振效果。阻尼層的厚度越大減振效果越好,其中在腹板加肋板處敷設阻尼層時基座的減振效果最好。