基座阻尼敷設方式對柱殼振動及聲輻射的影響

謝天宇，邵云生，吳文偉

(1.海軍駐無錫地區軍事代表室，江蘇無錫214000;2.中國船舶重工集團公司第七○二研究所，江蘇無錫214000)

基座阻尼敷設方式對柱殼振動及聲輻射的影響

謝天宇1，邵云生1，吳文偉2

(1.海軍駐無錫地區軍事代表室，江蘇無錫214000;2.中國船舶重工集團公司第七○二研究所，江蘇無錫214000)

利用有限元/邊界元法分析加肋柱殼受激后的水下聲輻射,對比約束阻尼對裸基座振動特性的影響,基座敷設阻尼材料前后殼體輻射聲場的變化以及約束阻尼敷設面積和位置對圓柱殼振動及聲輻射特性的影響。結果表明,敷設約束阻尼能有效降低加肋圓柱殼體及其內部基座的輻射噪聲,合理地選擇敷設面積和位置可以有效地降低圓柱殼振動及聲輻射。

加肋圓柱殼體;基座;阻尼;振動聲輻射;有限元/邊界元

加肋圓柱殼是艦艇艙段的主要結構形式,而基座是艦艇內部的主要結構。因為艦艇內部空間有限、環境惡劣,所以經常采用阻尼材料敷設在基座上,形成阻尼層合板,來損耗設備向艇體傳遞的振動能量。如何選擇合適的敷設方式,可以最有效地降低設備向基座傳遞的振動顯得尤為重要。國內外就阻尼材料對加肋圓柱殼振動及其激起的水下聲輻射影響進行了較充分的研究,但關于內部結構的阻尼減振效能研究較少［1-6］。阻尼隔振在艦艇內部結構中應用廣泛,但優化布置阻尼材料的相關研究較缺乏。為此,在借鑒前人研究基礎上,利用有限元和邊界元方法,以內含平臺基座的加肋圓柱殼為研究對象,分析比較基座在敷設粘彈性材料前后,其殼體結構在水中的振動和聲輻射性能的變化;討論阻尼層敷設面積和敷設位置對圓柱殼振動及水下聲輻射的影響。

1 基本理論

1.1 阻尼粘彈性材料的基本理論

阻尼粘彈性材料具有儲能和耗能兩種特性,其彈性模量可用復模量模型表示:

式中:E′,E"——E*的實部和虛部。

式中:ro——最大剪切應變幅值;

G′——剪切模量實部。

利用粘彈性阻尼材料的儲能和耗能特性實現艦艇機械設備的減振降噪。

1.2 有限元/邊界元理論

1.2.1 流固耦合有限元方程

在分析內部載荷作用下的水下復雜結構的結構振動問題時,其彈性結構和聲介質的耦合振動方程為［7］

式中:［Mf］,［Cf］,［Kf］——流體等效質量、阻尼和剛度矩陣;

［Ms］,［Cs］,［Ks］——結構質量、阻尼和剛度矩陣;

［R］——流固耦合矩陣;

{U},{P}——結構位移矢量、聲壓矢量;

{Fs}——結構載荷力向量。

1.2.2 邊界元公式

對于結構體表面光滑的單頻聲場,聲場方程可以表達成Helmholtz積分方程。

式中:E,S,I——結構的外部、表面和內部;

其中:k——波數;

R=|P-Q|;

vn——法向振速;

ω——圓頻率。

對式(4)利用邊界元法進行離散,即可得到邊界元求解方程:

式中:A,B——系數矩陣。

利用ANSYS求解考慮流固耦合的振動問題,可計算出加肋柱殼上所有節點的振動位移。

按照建模過程中設定的單元實常量的不同,取出外殼面上節點的位移。SYSNOISE程序可自動將節點位移轉變成法向振速。按式(6)計算出外殼表面壓力,再求取外部場的聲學量。

2 數值計算和分析

2.1 計算模型

研究模型為浸沒在淺水中的有限長加筋圓柱殼,其內部基座上敷設阻尼材料。圓柱殼的幾何參數見圖1所示。

圖1 加肋圓柱實驗示意

基座鋼板厚度0.006 33 m、基板中心距圓柱殼中心0.4 m、基板尺寸0.6 m×0.41 m基板加強筋尺寸0.012 7 m×0.022 22 m。

2.2 算例驗證

基于加肋圓柱殼水下受迫振動及聲輻射,將有限元/邊界元法計算得到的結果與實驗值［8］進行對比(見圖2)。經驗證,兩者最大誤差小于5%。由對比分析結果可驗證用有限元/邊界元法分析加肋圓柱殼振動和水下聲輻射是真實可靠的。

圖2 聲壓指向性對比

2.3 基座約束阻尼層對加肋圓柱殼水下振動及聲輻射的影響

采用有限元/邊界元數值解法計算基座受激振動所引起的加肋圓柱殼體水下輻射噪聲。基座及圓柱殼采用殼單元,材料為鋼,E=202 GPa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7 860 kg/m3、損耗因子為0.05;阻尼粘彈性層材料為橡膠,E=6.1 MPa、柏松比μ=0.49、密度ρ=1 000 kg/m3、阻尼系數η =0.5。

殼體內部結構和外流場網格見圖3,其中基座幾何和物理參數和2.1描述相同,圓柱殼見圖1,其中圓柱殼網格尺寸≤0.03 mm,流場網格尺寸≤0.3 mm,結構外表面與吸聲面距離≥4 m。根據彎曲波理論,網格劃分符合工程計算要求。

圖3 殼體和流場網格

通過在基座平面中心處施加力,計算其諧響應,施加約束阻尼可得到對應殼體輻射聲功率的頻譜圖,見圖4。

圖4 加肋圓柱殼體輻射聲功率

由圖4可知在200 Hz以內,基座所敷設的約束阻尼層前后,輻射聲功率級隨頻率變化曲線基本重合。模態分析表明,加肋圓柱殼在此頻率段為整體模態,約束阻尼對振動影響較小。在200 -500 Hz范圍內,出現局部振型,基座振動明顯。基座敷設阻尼粘彈性材料后,圓柱殼輻射聲功率級隨頻率變化曲線波動減小,輻射聲功率級最多降低50 dB。產生這種現象的原因是敷設約束阻尼使得加肋圓柱殼體整體質量增大,并吸收基座振動能量,故其共振頻率降低,共振峰值發生前移。

2.4 阻尼層敷設面積對加肋圓柱殼聲輻射特性的影響

改變約束阻尼層敷設面積與基座面板面積的比值,分析不同阻尼覆蓋率對艦艇水下輻射噪聲的影響。

分別分析100%、50%和25%敷設面積的約束阻尼板與圓柱殼聲振特性的關系(敷設層與面板寬度相同,50%敷設層長度為面板的1/2,25%敷設層長度為面板的1/4),所對應的結構輻射聲功率和面平均振速的見圖5、6。

圖5 輻射聲功率對比

對比發現,100%敷設面積的加肋圓柱殼輻射聲功率和面平均振速并不是最小的。所以利用增大敷設區域的面積來獲得顯著的噪聲降低的方式通常是不必要的。結果顯示:180 Hz以內,不同敷設面積對柱殼聲振特性沒有影響,這是因為圓柱殼以整體振動為主;180～250 Hz范圍內,50%敷設面積和100%敷設面積的減振效果相同, 25%敷設面積的減振效果,優于其他兩種;250～360 Hz范圍內,50%敷設面積的和100%敷設面積的減振效果相同,25%敷設面積的減振效果劣于其他兩種;360～500 Hz范圍內,25%敷設面積的減振效果優于50%敷設面積的減振效果優于100%敷設面積的減振效果。由此可見,根據實際情況,選擇適當的阻尼敷設面積,可以節約成本,減小空間的占用,同時可以提高減振效果。

圖6 面平均振速對比

2.5 阻尼材料敷設位置對加肋圓柱殼聲輻射特性的影響

約束阻尼結構分別敷設在基座面板與腹板時,圓柱殼的輻射聲功率和面平均振速見圖7、8。

圖7 輻射聲功率對比

圖8 面平均振速對比

結果顯示:180 Hz以內,面板敷設約束阻尼和腹板敷設約束阻尼所對應圓柱殼的輻射聲功率和面平均振速相同,此時圓柱殼以整體振動為主,基座振動占整體振動的權重較小。180～280 Hz范圍內,面板敷設比腹板敷設所對應的圓柱殼的輻射聲功率和面平均振速更高;280～420 Hz范圍內,面板敷設比腹板敷設所對應的圓柱殼輻射聲功率和面平均振速更低;420～500 Hz范圍內,面板敷設比腹板敷設所對應的圓柱殼輻射聲功率和面平均振速更高。產生這種現象的原因是約束阻尼結構主要依靠剪切耗能,圓柱殼基座面板和腹板的振形不同,所對應敷設在面板和腹板上的約束阻尼結構的耗能也不同,故對應圓柱殼的輻射聲功率和面平均振速也不相同。

3 結論

1)敷設約束阻尼對基座降低輻射聲功率效果明顯,為艦艇內部減振降噪,改善艇內人員的生活環境提供了有效方法。

2)在接近基座局部模態頻率后,約束阻尼可以有效吸收基座振動能量,從而降低基座傳遞給圓柱殼體的振動,減小其向外輻射的水下噪聲。由于約束阻尼使固有頻率提前,所以在設備和基座之間安裝約束阻尼時,應盡量考慮設備的固有頻率或正常工況的激勵頻率,使約束阻尼的隔振性能得到最好的發揮。

3)對基座面板敷設100%面積的約束阻尼層既增加了成本又不能達到最優的減振效果。機械設備與基座之間可以既采用約束阻尼隔振裝置又采用剛性連接限位裝置,這樣不僅可以保障動力傳動系統各設備間安全、高效、穩定的運行,又能使約束阻尼隔振器發揮更優的減振效果。

4)約束阻尼在其剪切方向的減振吸能效果最好,在敷設約束阻尼材料時,應考慮實際工況中基座的主要振動方式,選擇合適的敷設位置,使基座的主要振動方向位于約束阻尼面的切向,達到最理想的減振降噪效果。

［1］LAU1AGNET B,GUYADER JL.Sound radiation from a finite cy1indrica1 she11 covered with a compliant layer［J］.J.Vib.and Acoust,1991,113:267-272.

［2］謝官模.粘彈性阻尼材料對環肋圓柱殼聲輻射的影響［J］.武漢工業大學學報,1995,17(2):97-99.

［3］殷學文.敷設消聲瓦的雙層加肋圓柱殼的振動和聲輻射研究［D］.無錫:中國船舶科學研究中心,2001.

［4］SARAVANAN C,GANESAN N,RAMAMURTIV.Vibration and damping analysis of multilayered fluid f11led cylindrical shells with constrained viscoelastic damping using modal strain energy method［J］.Computers and Struct.,2000,75:395-417.

［5］BOILY S,CHARRON F.The vibroacoustic response of a cylindrical shell structure with viscoelastic and poroelasticmaterials［J］.Applied Acousties,1999,58:131-152.

［6］姚熊亮,錢德進.基座阻尼敷設方式對含基座柱殼振動及聲輻射特性的影響［J］.中國艦船研究,2008,3 (1):31-36.

［7］EVERSTINEG C.Finite Element Formulations of Structural Acoustic Problem［J］.Computer and Structures, 1997,65(3):307-321.

On Influence of Coated Damping Layer for Foundation upon the Vibration and Sound Radiation of Cylindrical Shells

XIE Tian-yu1,SHAO Yun-sheng1,WU W en-wei2
(1 Naval Dept.of Representative in Wuxi,Wuxi Jiangsu 214000,China; 2 The 702th Research Institute of CSIC,Wuxi Jiangsu 214000,China)

The FEM and BEM are used to simulate the sound radiation for a submerged cylindrical stiffened shell.The influences of the coatingmethods of constrained damping layer on the foundation upon the vibration characteristics and the underwater sound radiation of the stiffened cylindrical shells are analyzed.The numerical results show that the constrained damping layer can reduce the inner noise effectively;and choosing the constrained damping layer's cover and location reasonably can reduce the vibration and sound radiation of cylindrical shellswell.

cylindrical stiffened shells;foundation;damping;vibration;sound radiation;FEM/BEM

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.013

U661.44

A

1671-7953(2015)03-0054-04

2014-12-03

修回日期:2015-02-13

工信部聯裝項目資助(［2012］533-6)

謝天宇(1987-),男,碩士,助理工程師

研究方向:艦艇結構振動及聲輻射

E-mail:xtyspace@126.com