剛性阻振質(zhì)量在艦船基座設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

姚熊亮 王強(qiáng)勇 孫 明 龐福振

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

剛性阻振質(zhì)量在艦船基座設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

姚熊亮 王強(qiáng)勇 孫 明 龐福振

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

基于阻抗失配原理，分析剛性阻振質(zhì)量阻隔振動(dòng)波傳遞的特性，提出在艦船彈性基座中引入剛性減振器，即在艦船基座與船體結(jié)構(gòu)連接部位布設(shè)剛性阻振質(zhì)量，并利用有限元法對基座艙段耐壓殼體及基座板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行數(shù)值仿真研究。研究結(jié)果表明：對于中高頻結(jié)構(gòu)噪聲，剛性阻振質(zhì)量能有效降低基座艙段耐壓殼體的振動(dòng)及聲輻射，而對于低頻結(jié)構(gòu)噪聲，阻振質(zhì)量的減振效果不明顯，甚至沒有減振效果。這對剛性阻振技術(shù)在實(shí)艇減振降噪中的應(yīng)用具有重要的參考意義。

剛性阻振質(zhì)量；艦船基座；阻抗失配；減振降噪

1 引 言

艦船動(dòng)力機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲，其中大部分由安裝基座直接傳遞到船體結(jié)構(gòu)，成為結(jié)構(gòu)噪聲。在船體結(jié)構(gòu)上安裝船用機(jī)械設(shè)備，通常借助中間安裝構(gòu)件——隔振基座，其作用是連接設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)，承受設(shè)備的動(dòng)靜載荷，傳遞船體與設(shè)備之間相互作用載荷，同時(shí)限制和阻抑設(shè)備傳遞的振動(dòng)。傳統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)是在設(shè)備與基礎(chǔ)之間配置彈性支撐或阻尼物質(zhì)，這屬于柔性隔振。但實(shí)際應(yīng)用中，與動(dòng)力機(jī)械相連的某些設(shè)備或結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)往往不允許自身有大的變形，此時(shí)采用柔性隔振技術(shù)是不適宜的，而必須研究使用剛性減振技術(shù)。

在某型軍艦上動(dòng)力機(jī)械設(shè)備的隔振中，除采用常規(guī)隔振措施來阻抑結(jié)構(gòu)聲振動(dòng)的傳遞外，還在隔振基座和船體板之間設(shè)置了剛性阻振質(zhì)量來阻抑結(jié)構(gòu)聲振動(dòng)的傳遞。通過對實(shí)船上剛性阻振質(zhì)量的減振降噪效果的測試表明：剛性阻振質(zhì)量不僅能有效地阻抑結(jié)構(gòu)聲振動(dòng)的傳遞，而且能保證設(shè)備或結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生大的變形。

剛性阻振質(zhì)量與傳統(tǒng)減振器的減振機(jī)理有很大不同，它屬于剛性減振器，而目前國內(nèi)對剛性阻振質(zhì)量這種不同于傳統(tǒng)柔性隔振的減振降噪措施的系統(tǒng)研究還比較少。Cremer L和 HecklM［1］在其關(guān)于結(jié)構(gòu)聲的經(jīng)典著作中，對阻振質(zhì)量作了簡單的論述，但沒有針對阻振質(zhì)量參數(shù)的變化對振動(dòng)傳遞的影響做專門的研究。 Лялуноь［2］等采用波動(dòng)分析法計(jì)算了阻振質(zhì)量阻抑結(jié)構(gòu)聲傳遞的透射系數(shù)和反射系數(shù)，并得到其隔振度。上海交通大學(xué)、海軍工程大學(xué)也開展了相應(yīng)的研究［3－6］。本文在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)阻抗失配原理，從理論和數(shù)值兩個(gè)方面研究了剛性阻振質(zhì)量應(yīng)用于艦船基座結(jié)構(gòu)以及對基座結(jié)構(gòu)隔振性能的影響，所得結(jié)論對剛性阻振技術(shù)的實(shí)艇應(yīng)用具有一定的參考意義。

2 基本理論

定常結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度等發(fā)生突變時(shí)，會(huì)引起結(jié)構(gòu)的阻抗失配，對入射波起到很好的反射作用。結(jié)構(gòu)中材料物理性質(zhì)的突變、截面的突變，轉(zhuǎn)角、加強(qiáng)肋條的存在等，都會(huì)使彈性波在傳播過程中不連續(xù)，反射或抑制一部分彈性波，從而起到隔離彈性波或結(jié)構(gòu)聲波的作用。

剛性阻振質(zhì)量是沿著聲振動(dòng)傳播途徑配置在板結(jié)合處的一個(gè)矩形、正方形或圓形截面的大而重的條體，當(dāng)激勵(lì)引起的板平面彎曲波以某一角度入射剛性阻振質(zhì)量，由于阻振質(zhì)量相對板而言具有大的阻抗，從而反射一部分抵達(dá)阻振質(zhì)量的彎曲波，達(dá)到隔離聲振動(dòng)的目的［7］。

下面以剛性阻振質(zhì)量對彈性波的阻隔作用為研究對象，討論平板中阻振質(zhì)量對振動(dòng)波傳播規(guī)律的影響，不考慮振動(dòng)波斜入射情況，取單位寬度的板結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。圖1給出了剛性阻振質(zhì)量突變截面處彈性波各物理參量的變化情況。其中ν表示質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度；ω表示質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)角速度；F、M分別表示力和力矩。

圖1 剛性阻振質(zhì)量處截面及各物理參量

根據(jù)文獻(xiàn)［4］，剛性阻振質(zhì)量的隔振度存在全透射頻率與全隔離頻率。在全透射頻率處，阻振質(zhì)量無減振效果；在全隔離頻率處，阻振質(zhì)量的減振效果最佳。此外，剛性阻振質(zhì)量對振動(dòng)波起隔離作用的主要參數(shù)是：阻振質(zhì)量與板結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比、阻振質(zhì)量的質(zhì)量慣性矩以及板中振動(dòng)波的波長，而與阻振質(zhì)量的絕對質(zhì)量無關(guān)。下面以3mm厚平板為例，說明各參量對隔振度的影響，其中隔振度BH（dB）的計(jì)算公式為：

式中，W1、W2分別為入射波的能量和反射波的能量；T為透射系數(shù)。

由圖2可見，隨著頻率的增大，透射系數(shù)先增大后減小，并在140 Hz處達(dá)到最大。圖3給出了剛性阻振質(zhì)量截面尺寸分別為20×20（mm）、40×40（mm）、60 ×60 （mm）、80 ×80（mm）、100 ×100（mm）時(shí)，其隔聲量隨頻率的變化曲線。

圖3 剛性阻振質(zhì)量隔振度隨頻率變化曲線

由圖3可以看出，剛性阻振質(zhì)量對彎曲波的隔離效果非常顯著，圖中隔振度為零的頻率為全透射頻率，隔振度為無窮大的頻率為全隔離頻率。在全透射頻率以下頻率范圍內(nèi)，阻振質(zhì)量對彎曲波幾乎沒有隔離作用；在全透射頻率以上范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，曲線迅速抬升，阻振質(zhì)量對振動(dòng)噪聲的隔離效果越來越好，激勵(lì)頻率達(dá)到全隔離頻率時(shí)，阻振質(zhì)量的隔振效果最好；頻率再增大，阻振質(zhì)量的隔振效果有所下降，高頻時(shí)，其隔振度趨于一穩(wěn)定值。另外，隨著剛性阻振質(zhì)量截面積的逐漸增大，全透射頻率與全隔離頻率均向低頻移動(dòng)，且隔振峰值呈下降趨勢。

3 計(jì)算模型和測點(diǎn)位置

3.1 基座計(jì)算模型

由前面的討論可知，剛性阻振質(zhì)量的減振降噪效果與其幾何尺寸及質(zhì)量分布存在很大關(guān)系，而與其絕對質(zhì)量無關(guān)，在選擇剛性阻振質(zhì)量尺寸時(shí)，應(yīng)避開全透射時(shí)的尺寸。本文采用的艙段模型為有沿軸向均布環(huán)筋加強(qiáng)的耐壓殼體，殼體內(nèi)對稱分布了兩行基座。艙段模型如圖4所示。

圖4 基座艙段模型示意圖

綜合考慮基座尺寸以及艙段總重量限制等問題，在與基座安裝板架連接的基座腹板上布設(shè)剛性阻振質(zhì)量帶，含剛性阻振質(zhì)量帶的基座模型如圖5所示。

本文所研究的基座結(jié)構(gòu)模型具體尺寸如圖6所示，a／b=3，c／b=2.4，d／b=2.4。 取剛性阻振質(zhì)量截面尺寸為60×60（mm），阻振質(zhì)量帶的總重0.144 t，剛性阻振質(zhì)量布置在基座腹板上靠近安裝板架，e／b=0.16。

圖5 含剛性阻振質(zhì)量帶的基座模型

圖6 含剛性阻振質(zhì)量基座尺寸示意圖

3.2 邊界條件及激勵(lì)點(diǎn)位置

對基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率響應(yīng)計(jì)算，計(jì)算時(shí)將基座艙段前后各沿軸向向外延伸三檔肋位沿周向施加全約束。為了簡化計(jì)算，將設(shè)備重量以質(zhì)量點(diǎn)的形式均布于基座面板，然后在兩邊基座面板上分別選取12個(gè)點(diǎn)作為設(shè)備隔振器的安裝點(diǎn)，設(shè)備激勵(lì)力（垂直于基座面板）通過這24個(gè)隔振器安裝點(diǎn)傳遞到基座上并激勵(lì)耐壓殼體振動(dòng)，激勵(lì)頻率按1／3倍頻在0～1 000 Hz頻段選取。

3.3 結(jié)構(gòu)測點(diǎn)位置

針對本文所討論的問題，在基座艙段耐壓殼體上選取15個(gè)測點(diǎn)，另外，為綜合考察剛性阻振質(zhì)量的隔振性能，又在基座安裝板架及腹板上分別選取兩個(gè)測點(diǎn)，計(jì)算得到此19個(gè)測點(diǎn)在各頻率下的加速度響應(yīng)值。結(jié)構(gòu)測點(diǎn)布置位置見圖7。

圖7 結(jié)構(gòu)測點(diǎn)布置示意圖

4 結(jié)果及分析

圖8給出了布設(shè)剛性阻振質(zhì)量前后所取測點(diǎn)的加速度響應(yīng)值隨激振頻率變化曲線。通過對比分析即可討論剛性阻振質(zhì)量對基座隔振性能的影響規(guī)律。

圖 8（a）～（e）表示基座艙段耐壓殼體上測點(diǎn)的響應(yīng)情況。

圖8 結(jié)構(gòu)測點(diǎn)加速度幅頻響應(yīng)特性曲線

通過比較可以看出，加剛性阻振質(zhì)量基座的響應(yīng)曲線有明顯位于原基座對應(yīng)曲線下方的趨勢，這說明布設(shè)剛性阻振質(zhì)量后基座艙段耐壓殼體的振動(dòng)水平下降了，特別在高頻階段表現(xiàn)得愈加明顯，兩曲線間距比較大。為綜合評價(jià)剛性阻振質(zhì)量的隔振性能，圖8（f）給出了基座面板上測點(diǎn)的響應(yīng)情況，其中在高頻段布設(shè)剛性阻振質(zhì)量仍使得基座面板的振動(dòng)加速度級明顯下降，但隨著頻率的增大，加阻振質(zhì)量基座的響應(yīng)曲線有高于原基座對應(yīng)曲線的趨勢，這說明布設(shè)剛性阻振質(zhì)量后，基座板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)有加強(qiáng)的趨勢。

為綜合考察布設(shè)剛性阻振質(zhì)量后，基座艙段耐壓殼體在0～1 000 Hz頻段總的振動(dòng)情況，對耐壓殼體上所取的15個(gè)結(jié)構(gòu)測點(diǎn)的響應(yīng)值按下式取平均聲振動(dòng)級：

式中，Lai為按1／3倍頻程由所有頻譜分量的加速度響應(yīng)值轉(zhuǎn)化的振動(dòng)加速度級［8］；Lai=20 log ai／a0；ai為按倍頻程測得的頻譜分量的加速度響應(yīng)值；a0為振動(dòng)加速度基準(zhǔn)值，本文取a0=1×10-6m／s2。所得結(jié)果如圖9所示。

圖9 耐壓殼體上各測點(diǎn)平均加速度幅頻響應(yīng)曲線

從圖9可見，在基座腹板上布設(shè)剛性阻振質(zhì)量使曲線的峰完全偏離開原基座結(jié)構(gòu)形式。在500 Hz以上范圍內(nèi)，加剛性阻振質(zhì)量基座艙段耐壓殼體振動(dòng)加速度級明顯低于原基座結(jié)構(gòu)情形，但兩種情形下耐壓殼體振動(dòng)加速度級隨激振力頻率變化曲線的變化趨勢基本一致；在500 Hz以下范圍內(nèi)，兩種情形對應(yīng)曲線相互交錯(cuò)，變化趨勢復(fù)雜。從總體上來看，布設(shè)剛性阻振質(zhì)量后，耐壓殼體振動(dòng)加速度級相對于原基座結(jié)構(gòu)有所下降，但主要集中在中高頻段，同時(shí)，布設(shè)阻振質(zhì)量將使得加速度級曲線的峰明顯減少。這說明剛性阻振質(zhì)量對中高頻結(jié)構(gòu)噪聲會(huì)起到明顯的隔離作用，而對低頻結(jié)構(gòu)噪聲則幾乎不起作用。

根據(jù)結(jié)構(gòu)噪聲評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如果用與噪聲級類似的表示方法——加速度分貝來描述振動(dòng)級，則振動(dòng)“加速度分貝”表示形式為：

式中，a1表示原基座的結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度；a2表示布設(shè)剛性阻振質(zhì)量基座的結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度。

將所有頻譜分量的加速度傳遞函數(shù)響應(yīng)值相加，并按式（3）得出各測點(diǎn)的分貝值，取有無剛性阻振質(zhì)量兩種情況，計(jì)算得到各測點(diǎn)的減振功率級如表1所示。

表1 各測點(diǎn)減振效果功率級列表

由表1可以看出，當(dāng)布設(shè)剛性阻振質(zhì)量后，基座艙段耐壓殼體振動(dòng)級的加速度分貝值平均下降了5.65 dB，而基座面板的振動(dòng)水平有所上升。

5 結(jié) 論

基于阻抗失配原理，本文從理論和數(shù)值兩個(gè)方面研究了剛性阻振質(zhì)量應(yīng)用于艦船基座結(jié)構(gòu)以及對基座結(jié)構(gòu)隔振性能的影響。通過對比分析主要得到以下結(jié)論：

1）隔振結(jié)構(gòu)的隔聲量存在全透射頻率與全隔離頻率，在全透射頻率處，剛性阻振質(zhì)量無減振效果，在全隔離頻率處，阻振質(zhì)量減振效果最佳；

2）對于中高頻段結(jié)構(gòu)噪聲，剛性阻振質(zhì)量起到了明顯的隔振作用，而對于低頻段結(jié)構(gòu)噪聲，阻振質(zhì)量的減振效果不明顯，甚至沒有減振效果；

3）剛性阻振質(zhì)量反射了振動(dòng)波，對基座艙段耐壓殼體產(chǎn)生了明顯的隔振效果，而基座板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)有加強(qiáng)的趨勢；

4）在基座腹板上布設(shè)剛性阻振質(zhì)量帶后，基座艙段耐壓殼體的振動(dòng)噪聲平均下降了。

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［2］ ЛЯЛУНОЬ В Т，НLКLФОРОВ А С.ВиброизоляциЯ в судовыхконструкциЯх［J］.Л： Судостроение，1975.

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Application Research on Rigid Vibration Isolation M ass in Ship Pedestal Design

Yao Xiong－liang Wang Qiang－yong Sun Ming Pang Fu－zhen
College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

On the principle of impedance mismatching， the performance that rigid vibration isolation mass impedes vibration wave propagation wa s researched.Rigid vibration absorber which means adding rigid vibration isolation mass at the region ship pedestal connected with the ship structure wa s brought in ship elastic pedestal.Based on FEM， the vibration propagation characteristics of the pressure hull aswell as pedestal plates were studied through numerical simulation.The results show that， for medium－h(huán)igh frequency structure noise，such mass can effectively reduce the vibration and sound radiation of the pressure hull， while in low frequency， vibration isolation effect of themass is not so obvious.The results can be used for reference to rigid vibration isolationmass applying to the vibration and noise reduction of ship structure.

rigid vibration isolationmass； ship pedestal； impedancemismatch； vibration and noise reduction

U661.44

A

1673－3185（2010）03－08－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.03.002

2009-10-29

國防重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目（40×××××××××01）

姚熊亮（1963－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物動(dòng)力學(xué)。E-mail：saibei8411＠163.com

王強(qiáng)勇（1985－），男，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物動(dòng)力學(xué)。E-mail：wangqiangyong666＠163.com