磁流變阻尼器在船舶減振中的應用

朱永凱，時光志，夏華波，楊 波，呂瑞升

(中海油能源發展采油服務公司，天津300452)

磁流變阻尼器在船舶減振中的應用

朱永凱，時光志，夏華波，楊 波，呂瑞升

(中海油能源發展采油服務公司，天津300452)

在傳統減振元件基礎上配合使用磁流變阻尼器構成新型船舶智能減振系統。介紹該系統的減振原理，并根據其特定工作環境對其在實船中的鏈接形式進行設計。通過數值分析結果與減振理論分析趨勢的對比，分析數值仿真方法在船舶減振領域應用的有效性和可行性。

磁流變設備;船舶減振;有限元

0 引言

船舶上常用的減振設備主要為彈性減振元件，如彈簧、橡膠墊等，這些減振元件通過彈簧或橡膠在運動過程中的能量耗散來抑制結構振動。此類減振設備具有結構簡單、易于實現、經濟、可靠等優點，但由于其結構參數是在某一特定環境最優化設定的，而該參數一經設定就無法改變，缺乏控制上的靈活性。單純依靠船體結構自身的強度和剛度或常規的減振元件來降低船上設備引起的振動干擾不合適。因此，研究和探尋合理、經濟而有效的船舶結構減振設備，對于提高船舶振動控制水平具有重要的理論和實際意義。

船舶減振設備應當具有簡便、安全、成本低廉的特點。現階段大量新技術和新材料的涌現，為船舶減振系統的設計提供了條件，因此有必要對船舶減振設備進行研究，以獲得合適的減振措施。

磁流變阻尼器是一種發展迅速，性能優良的減振設備，已在汽車、機械裝置、橋梁以及土木建筑等領域得到廣泛應用，部分產品已經應用于實際工程，展現出了良好的應用前景，但在船舶減振方面的研究還處于起步階段。因此，研究和探索磁流變阻尼器在船舶減振系統中的應用，對于提高船舶減振水平，特別是提高船舶的生命力和戰斗力具有重要的理論和實踐意義。

1 磁流變阻尼器減振系統的減振原理

為了說明磁流變阻尼器的減振原理，以單層減振系統為例進行分析。

1.1 單層減振系統

設備與基礎 (或稱基座)之間通過具有較大彈性的減振元件支撐，而非剛性相連，則設備、基礎與具有較大彈性的減振元件所組成的系統就稱為減振系統。下面以單層積極減振系統［1］進行說明，如圖1所示。

圖1 單層減振系統Fig.1 Single layer vibration isolation system

以質量塊的靜力平衡位置為原點，建立圖示坐標x(t)，對圖1中的質量塊 (主機或機械設備)進行受力分析。

根據達朗貝爾原理求出質量塊的平衡方程式，則積極隔振系統運動方程為

式中F(t)=Acosωt，A為機械設備的振幅，則

當機械設備運動時，通過減振器傳至基礎的力由2部分組成：一是彈簧力，幅值為kx;二是阻尼力，幅值為，即

二者合力的幅值等于：

式中T為力傳遞率，定義為傳遞至基礎的力與激勵力之比，即

根據式(5)所列出的等式，可以得到力傳遞系數T隨頻率比ω/ωn變化的曲線，如圖2所示。

圖2 傳遞率T隨頻率比ω/ωn變化曲線Fig.2 Transfer rate increases with the frequency ratio curve

1.2 磁流變阻尼器的減振原理

從圖2可以看出，振動系統傳遞率變化曲線隨阻尼率的變化而變化，阻尼率的變化主要從以下2個方面改變傳遞率的變化：

1)阻尼率不同，共振峰所對應的頻率比不同，說明可以通過調節阻尼率，改變共振峰處的頻率;

通過上面的分析可知，改變傳遞率可以通過2個角度來考慮。傳遞率愈小意味著減振效果愈好，通過調節磁流變阻尼器降低振動系統的傳遞率，就是我們研究的目的。

磁流變阻尼器的減振原理是通過調節阻尼器阻尼的大小來對結構振動進行控制，調節磁流變阻尼器的阻尼應滿足以下2點：首先，應該避免振動發生在共振附近區域;其次，激振力頻率與系統固有頻率之比小于時，應增大減振系統的阻尼率，而在激振力頻率與系統固有頻率之比大于時，應減小減振系統的阻尼率。

2 磁流變阻尼器減振系統設計技術

將磁流變阻尼器應用到船舶減振系統中［2］的主要目的是解決現有船舶減振元件的低頻線譜減振問題。具體解決途徑是在傳統減振元件基礎上并聯智能出力元件構成新型船舶智能減振系統，使智能船舶減振系統的動力學特性由固定不變轉變成智能可控的，使得減振系統的動力學特性可以根據激勵和響應的情況自主調節，從而達到設計目的。船舶智能減振系統示意圖如圖3所示。

圖3 船舶智能減振系統示意圖Fig.3 Intelligent vibration damping system diagram

本文使用具有高彈性變形特性的鋼絲繩減振器和橡膠減振器，分別與阻尼力可控的磁流變阻尼器進行設計船舶智能減振系統。

2.1 設計的基本依據

為了對磁流變阻尼器應用于船舶減振系統進行設計，必須知道下列原始數據［3］：

1)設備的重量;

2)設備的脆值，即設備失效或失靈時所能承受的振動量;

3)原有減振設備條件下的振動特性，即減振設備剛度和阻尼。

2.2 磁流變阻尼器減振系統設計步驟

磁流變阻尼器減振系統的設計［3－4］是根據已知條件，選擇磁流變阻尼器的個數，通過適當的連接形式與原有減振元件配合使用，降低設備產生的振動量，從而達到保護設備的目的。具體步驟如下：

1)通過測試和分析有關方面提供的資料，確定被減振設備允許的振動量的大小和頻率范圍;

2)確定所設計的減振系統應達到的減振系數值;

3)根據要求的減振系數值，由相應公式計算出頻率比以及相應的阻尼比;

4)由阻尼比和原減振系統的剛度確定磁流變阻尼器的選取和布置形式;

在選用阻尼器時，需要全面考慮減振設計的要求，不僅保證有較高的減振效率，同時要盡可能做到使用壽命長、經濟性高。

2.3 磁流變阻尼器的選擇與布置原則

合理布置磁流變阻尼器是船舶智能減振系統設計中重要環節之一［3］。合理布置磁流變阻尼器能夠有效地減少各個自由度振動間的耦合，并使各個自由度的固有頻率接近，從而有利于提高減振效果。磁流變阻尼器布置時應參照以下原則［5］：

1)阻尼器安裝在設備重心所在的平面內。

2)阻尼器的布置對稱于設備的重心。

3)當設備從某平衡位置沿坐標軸平移一距離時，磁流變阻尼器對設備的作用力的合力應通過設備的重心;當設備繞某一坐標軸旋轉時，各阻尼器對設備的作用力的合成應為一力偶，力偶作用平面垂直于該坐標軸。

4)在同一個減振裝置中，盡可能地采用相同型號的阻尼器，根據重量及重心位置，力求各個阻尼器所承受的載荷相同。

5)當設備的形狀和質量不對稱，而采用不同型號的阻尼器時，應使各阻尼器的支承點的變位一致，以保證減振裝置在振動中處于水平狀態。

3 磁流變阻尼器實船連接形式設計

針對船體艙段中的具體基座結構形式，對磁流變阻尼器在減振系統中的連接形式進行設計。將磁流變阻尼器連接到機座，再通過鉸接形式與振動設備相連，磁流變阻尼器連接到機座與振動設備之間，與傳統減振元件組成船舶智能減振系統，連接形式如圖4～圖5所示。

圖4 減振元件布置正視圖Fig.4 Vibration damping element is arranged front view

圖5 減振元件布置側視圖Fig.5 Vibration damping element is arranged side view

圖中構件1為傳統減振元件，2為磁流變阻尼器。采用的連接形式將磁流變阻尼器安裝到機座與振動設備之間，可以通過調節結構來滿足安裝不同型號的阻尼器，使用時只需在原機座上去掉部分鋼板，就可將阻尼器安裝上。其結構簡單，便于操作，相對于直接將磁流變阻尼器安裝到基座更加方便，充分利用空間，便于船舶結構優化。

4 磁流變阻尼器減振系統的減振效果

將磁流變阻尼器應用于船舶典型設備的減振系統中，船舶減振系統示意圖如圖3所示。通過數值分析，對比安裝磁流變阻尼器前后系統振動位移變化，驗證磁流變阻尼器在船舶減振應用中的效果。

以Ansys軟件為平臺，建立船舶機艙艙段模型，并針對船舶典型設備的減振系統進行設計，建立艙段減振系統有限元［6］模型。整個模型由艙段、設備、減振系統和基座4部分組成。船體艙段為某型船的實際結構，其板架、梁結構分別由SHELL63和beam188來模擬，其尺寸與實際結構大小一樣。設備采用質量塊模擬，用solide45單元對其［7］建模;設備和基座之間采用傳統減振元件和磁流變阻尼器并聯進行減振，其中傳統減振元件為4個，磁流變阻尼器為2根的情況，均采用spring－damper 14單元進行模擬，建立減振設備的剛度和阻尼。整個基座由面板及腹板構成，其中縱向腹板由2塊12 mm鋼板構成;橫向鋼板由7塊10 mm鋼板構成;基座水平面板厚30 mm。船體艙段減振系統的有限元模型如圖6所示。

圖6 船體艙段減振系統有限元模型Fig.6 Cabin vibration finite element model

通過諧響應分析得出，不同輸入電流情況下，安裝磁流變阻尼器前后基座處振動位移隨頻率比變化曲線如圖7和圖8所示。

圖中s為位移，f為激振力頻率。觀察圖中振動系統位移隨頻率變化曲線可以看出，安裝磁流變阻尼器后，基座在頻率比小于范圍內的位移明顯降低，說明可以通過安裝磁流變阻尼器來對設備振動時頻率比小于范圍內進行有效的控制。同時還可以發現，隨輸入電流的增加對頻率比小于范圍內位移降低的越大，說明可以通過調節磁流變阻尼器輸入電流的大小對設備振動進行有效的抑制。

圖7 基座振動位移隨頻率變化曲線Fig.7 Seat vibration displacement as a function of frequency variation curve

圖8 基座振動位移隨頻率變化曲線Fig.8 Seat vibration displacement as a function of frequency variation curve

數值分析結果與理論分析結果基本一致，說明數值仿真方法在船舶減振設計領域的有效性和可行性，同時驗證磁流變阻尼器在船舶減振應用中具有良好效果。

5 結語

首先在傳統減振元件基礎上并聯磁流變阻尼器構成了新型船舶智能減振系統，詳細介紹此系統的減振原理，并根據其特定工作環境對其在實船中的連接形式進行設計;其次，數值分析結果與減振理論分析趨勢基本一致，說明數值仿真方法在船舶減振設計領域的有效性和可行性，同時驗證了磁流變阻尼器在船舶減振應用中具有良好效果。

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Magneto-rheological damper application research in the ship’s vibration control

ZHU Yong-kai，SHI Guang-zhi，XIA Hua-bo，YANG Bo，LV Rui-sheng
(CNOOC Energy Technology and Services-oil Production Services Co．，Tianjin 300452，China)

On the basis of traditional damping element using magneto-rheological damper constitutes a new intelligent vibration damping system，introduced the intelligent vibration damping system for damping principle，and link type is designed according to the particular work environment．Through the numerical analysis results and the theoretical analysis of the vibration trend comparison，analysis of numerical simulation method in ship vibration field application effectiveness and feasibility．

magneto-rheological equipment;ship vibration;finite element method

U664．6

A

1672－7649(2014)01－0079－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.01.016

2013－01－28;

2013－04－07

朱永凱(1982－)，男，碩士，工程師，主要從事海上油田裝備研發工作。