基于夾層板的浮筏隔振系統有限元分析

趙留平

中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北武漢 430064

基于夾層板的浮筏隔振系統有限元分析

趙留平

中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北武漢 430064

針對船用浮筏隔振系統，采用有限元分析法，建立平板式和夾層板式兩種筏架結構的浮筏隔振系統的有限元分析模型，并估算兩種浮筏隔振系統的隔振效果。計算結果表明，夾層板式浮筏隔振系統具有較好的隔振效果，在相同重量的情況下隔振量比平板式浮筏高出3～4 dB，為新型筏架結構的研究提供了思路。

夾層板；浮筏；隔振；有限元

1 引 言

浮筏裝置是一個具有多機組、多個激勵源、多向隔振的多層隔振系統。浮筏為一種特殊的多層隔振系統，通過隔振系統內部各部件之間的“動力調諧”作用達到減振降噪目的。影響隔振效果的因素眾多，而各因素又相互影響，因此對浮筏的研究就顯得相對復雜。國內外近些年在浮筏系統研究方面做了很多的工作［1-3］。 我國在“八五”期間，主要圍繞平置式浮筏系統的動力學建模和系統動力特性進行分析，形成了多種建模方法［4-6］，如多體動力學方法、有限元方法和四端參數法等。“九五”期間，研究了浮筏的響應特性計算的方法、隔振效果的評估、靈敏度分析方法的應用以及功率流方法等問題［7-8］。隨著研究的不斷深入，隔振器的等效方法、筏架的結構形式、設備的布置、阻尼材料應用、基座非剛性等問題也凸顯出來。

夾層板結構是一種由面板層和中間芯層組成的復合結構。面板層通常采用金屬（不銹鋼、鋁）、復合材料層板、硬塑料等；夾芯可以用泡沫塑料、波紋金屬薄片、鋁或不銹鋼薄片等制成。這種結構具有重量輕、強度高、剛性大的特點。如能將夾層板結構引入浮筏隔振系統中筏架的設計，有可能利用這種特點在較小的質量代價下取得較好的阻抗失配，從而提高浮筏隔振效果。

本文利用有限元分析軟件Nastran對采用夾層板筏架的浮筏系統進行數值仿真，并與傳統平板式浮筏隔振系統的隔振性能進行了比較分析。

2 夾層板結構特性

一個典型的對稱夾層結構由兩塊相同的薄面板夾著一輕質量的中間層組成（圖1）。

圖1 典型夾層板結構

夾層結構的剛度特性可由圖2列出的3種同材質不同橫斷面夾層板的抗彎剛度的比較予以說明，其中t為勻質平板的厚度，2t和4t則為夾層板總厚度。如果單一材質結構在橫斷面處一分為二，并在中間加入輕質量的中間層，其抗彎剛度會得到顯著增加，這種現象一般被稱為“三明治效應”，這是夾層結構的主要優點之一。

令夾層板的總厚度為2H，面板厚度為d，泊松比為μ，則夾層板彎曲剛度為：

圖2 不同橫斷面夾層板結構的彎曲剛度比較

3 筏架形式

為了探討新筏架的性能，本文設計了兩種筏架進行對比分析，如圖3所示。平板式筏架長1.1 m，寬 0.8m，高 0.14m；夾層板式筏架長 1.1m，寬0.8m，高 0.1 m。

4 數值算例

所設計的浮筏隔振系統由設備（設備1重60 kg，設備2重80 kg）、上層隔振器（8個BE15型隔振器）、筏架、下層隔振器（6個BE85型隔振器）和基座組成。模擬基座面板厚10mm，采用4個螺栓將基座進行固定。其有限元分析模型見圖4。筏架采用抽取中面法將其轉化成二維問題，機器采用點質量進行模擬（只考慮重量），設備與隔振器之間采用MSC Nastran提供的MPC（多點約束）進行連接。所有隔振器均采用Bush單元進行模擬，試驗數據的轉換見文獻［2］。

圖3 平板式和夾層板式筏架

平板式筏架上部和下部面板厚8mm，下部面板有4個257 mm×396 mm的開口，肋板厚6 mm，筏架重 118.1 kg。

為了比較夾層板的面板和夾芯層對隔振效果的影響，夾層板筏架建立了3個模型，3個模型形式相同，只是面板和夾芯面板厚度不同。模型1：面板厚4 mm，夾芯面板厚4 mm，筏架重103.1 k g；模型2：面板厚5 mm，夾芯面板厚4 mm，筏架重 117.9 k g；模型 3：面板厚 5 mm，夾芯面板厚 5 mm，筏架重 132.6 k g。

圖4 兩種浮筏隔振系統

圖5為針對模型2采用普通鋼板與采用夾層結構的兩種筏架的模態對比圖。夾層板筏架第一階為整體扭轉振型，第二階為整體彎曲振型，第三階為局部振型；平板式筏架第一階為整體扭轉振型，第二和第三階為局部振型。

圖5 平板式和夾層板式筏架模態

表1為兩種筏架前10階固有頻率對比（非剛體模態）。從表中可以發現：兩種筏架的質量基本相同，但是夾層板式筏架的剛度明顯要強于平板式筏架。模態計算結果顯示1 000 Hz內非剛體模態平板筏架有42階而夾層板式筏架 （模型2）只有21階。

表1 前10階固有頻率對比

采用振級落差的方式來估算浮筏的隔振效果，振級落差中需要的參數為加速度。圖6為平板式浮筏與夾層板式浮筏隔振效果的比較，從圖6中可以發現，夾層板式浮筏的隔振效果要優于平板式，在質量相同時，夾層板式浮筏的隔振效果比平板式要多3～4 dB，特別是在250～600 Hz的頻率內。在該頻率段平板筏架有近30階模態，而且比較集中，而夾層板式筏架只有兩階模態，其中340 Hz、410 Hz和510 Hz附近平板式浮筏隔振效果顯著下降，原因是這幾階頻率附近筏架和基座產生共振。

圖6 振級落差對比

表1可以說明依次增加夾層板面板和夾芯的厚度可以顯著增加夾層板的剛度，從圖6可以發現，增加夾層板的剛度可提高隔振效果，充分利用夾層板結構的高剛度質量比，可以在與平板式浮筏隔振效果相當的情況下，顯著減少浮筏的質量。

其中40 Hz為浮筏隔振系統的安裝頻率，180 Hz、200 Hz、340 Hz、410 Hz和 510 Hz為基座的固有頻率，該基座設計偏軟，但不影響隔振效果的比較。從振級落差曲線中可以發現，浮筏隔振系統在中高頻段具有較好的隔振效果，夾層式筏架也擺脫不了低頻隔振效果較差的問題。低頻隔振效果主要由上、下兩層隔振器的剛度決定，夾層式浮筏隔振系統的設計需要在綜合考慮浮筏隔振系統特性的基礎上進一步優化低頻段的隔振效果。

5 結 論

本文討論了夾層板式浮筏系統的隔振效果，計算結果顯示夾層式筏架具有較好的隔振效果，通過數值模擬計算可得出如下結論：

1）在浮筏設計的過程中，要根據機械設備的基本參數和激勵特性，在滿足額定載荷的情況下合理配置上下層隔振器剛度，使得系統的固有頻率避開設備激勵頻率。

2）基座的振動特性對浮筏隔振效果的影響較大，在基座的設計過程中需要特別考慮，還應避免與筏架的固有頻率重合。

3）需要通過試驗進一步驗證本文結論，需要對夾層板式筏架的結構形式和參數作進一步的研究，并結合平板式和框架式筏架結構特點，探討隔振性能更優的筏架結構形式。

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［6］ 徐志云，吳崇健，付愛華.浮筏隔振效果估算方法研究［J］.艦船科學技術，2006，28（2）：64－68.

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Finite Element Analysis of Floating Raft Isolation System Based on Sandw ich Plate

Zhao Liu-ping
Military Representative Office in China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China

For themarine vibration isolating system，finite elementmodels of plane and sandwich plate floating raft systems were set up in this paper，the v ibration l evel difference was applied tomeasure the effect of vibration isolati on.Compar ed with plane floating raft， the calculation of sandwich plate floating raft show a superior behavior that the v ibration l evel difference is 3～4 dB higher under the conditions of equalweight.The resultswill provide a reference to the research of new floating raft structural forms.

sandwich plate； floating raft； vibration isolation； finite elementmethod

TB535

A

1673-3185（2010）03-43-04

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.03.010

2009-03-08

趙留平（1969- ） ，男，碩士，工程師。 研究方向：船舶減振降噪。 E-mail：milinavy＠yahoo.com.cn。