水面艦船復(fù)合雙層底結(jié)構(gòu)隔振特性分析

朱成雷，魏 強(qiáng)，鄭超凡，翁章卓

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

水面艦船復(fù)合雙層底結(jié)構(gòu)隔振特性分析

朱成雷，魏 強(qiáng)，鄭超凡，翁章卓

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

為了提高水面艦船的聲隱身性能，對(duì)典型的雙層底結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剖析和研究。由于“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)在大部分頻率處的透射效率較小，同時(shí)偏心阻振質(zhì)量塊對(duì)振動(dòng)波有較好的阻隔效果。因而，在雙層底的縱桁和肋板上構(gòu)造“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)和添加不同偏心距和重量的阻振質(zhì)量塊，形成復(fù)合的雙層底結(jié)構(gòu)。采用FEM法對(duì)改進(jìn)前后的雙層底結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。結(jié)果表明：在雙層底內(nèi)部構(gòu)造“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)阻抗也隨之發(fā)生變化，產(chǎn)生阻抗失配，這樣在部分頻段就能有效的阻斷振動(dòng)波的傳遞，而且阻振質(zhì)量的偏心布置和增大阻振質(zhì)量也都會(huì)在一定程度上提高隔振效果。使之復(fù)合雙層底結(jié)構(gòu)的聲隱身性能有可能得以改善。

振動(dòng)與波；雙層底結(jié)構(gòu)；阻振質(zhì)量；聲隱身

水面艦船主機(jī)、輔機(jī)等眾多機(jī)械設(shè)備在摩擦、沖擊等力的作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，主要通過(guò)基座—艇體—流場(chǎng)的傳遞途徑以彈性波的方式向外傳遞。縱骨架式雙層底結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代水面艦船典型結(jié)構(gòu)形式之一，其中肋板和縱桁是連接內(nèi)底板和船底板的主要構(gòu)件，由于這兩種構(gòu)件的存在，設(shè)備激勵(lì)經(jīng)由內(nèi)底板向船底板傳遞時(shí)將在雙層底內(nèi)部形成混合波的反射、透射和波形轉(zhuǎn)換。而機(jī)械設(shè)備振動(dòng)傳遞到外部殼體上的振動(dòng)量級(jí)在很大程度上決定了低頻噪聲水平，因此雙層底結(jié)構(gòu)對(duì)于水面艦船的振動(dòng)和水下聲輻射有著重要的影響。

目前對(duì)潛艇的雙層殼間的托板的減振特性有了一定的研究，文獻(xiàn)[1]研究討論了殼間連接形式變化對(duì)雙層圓柱殼的聲輻射性能影響，得到殼間連接越緊密，其輻射聲功率越高。文獻(xiàn)[2]在雙殼舷間結(jié)構(gòu)聲傳遞途徑試驗(yàn)分析基礎(chǔ)上，提出了阻振質(zhì)量復(fù)合托板結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了阻振質(zhì)量復(fù)合托板的有效性。阻振方鋼作為一種有效阻隔振動(dòng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在船舶結(jié)構(gòu)上。文獻(xiàn)[3—5]基于波動(dòng)理論探討了阻振質(zhì)量對(duì)典型船體連接結(jié)構(gòu)中振動(dòng)波傳遞的阻抑特性，討論了阻振質(zhì)量偏心布置對(duì)其隔振性能的影響。文獻(xiàn)[6-—8]利用有限元軟件檢驗(yàn)了阻振方鋼的隔振效果，并分析了其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)隔振效果的影響。在此基礎(chǔ)上，本文應(yīng)用阻抗失配和波型轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行水面艦船雙層底結(jié)構(gòu)的隔振設(shè)計(jì)。在雙層底振動(dòng)噪聲的傳遞途徑中，構(gòu)造降低振動(dòng)波傳遞的“┻┳”結(jié)構(gòu)和使阻抗失配的阻振質(zhì)量塊，以阻斷振動(dòng)噪聲的傳遞，形成復(fù)合雙層底結(jié)構(gòu)，并用數(shù)值仿真方法檢驗(yàn)了復(fù)合雙層底剛性隔振設(shè)計(jì)的有效性。

1 振動(dòng)控制理論

1.1 船體典型連接結(jié)構(gòu)波動(dòng)特性

在將“┏┛”形連接結(jié)構(gòu)、“╋”形連接結(jié)構(gòu)、“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)、“┻”形連接結(jié)構(gòu)和“┛”形連接結(jié)構(gòu)這幾種典型連接結(jié)構(gòu)中彎曲波—彎曲波透射效率進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)構(gòu)成連接結(jié)構(gòu)的材料和各板板厚都相同時(shí)，不同的連接結(jié)構(gòu)其透射效率相差很大，其中以“┏┛”形連接結(jié)構(gòu)透射效率最大。同時(shí)，“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)在大部分頻率處都要小于“╋”形連接結(jié)構(gòu)的透射效率，只有在部分頻率處偏大。所以采用“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)和“╋”形連接結(jié)構(gòu)能大大降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)波的傳遞，從而降低結(jié)構(gòu)的振動(dòng)[9]。

1.2 阻振質(zhì)量阻波特性

作為一種可以有效阻隔結(jié)構(gòu)聲傳遞的結(jié)構(gòu)形式，阻振質(zhì)量在水面艦船艙壁、基座等結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。如果可以在充分了解水面艦船雙層底和其上的基座的振動(dòng)傳遞分析基礎(chǔ)上，將阻振質(zhì)量應(yīng)用于水面艦船雙層底的肋板和縱桁中，形成結(jié)構(gòu)阻抗失配，那么這對(duì)水面艦船的雙層底的減振降噪具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖1 五種典型連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 阻振質(zhì)量示意圖

對(duì)于一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的阻振質(zhì)量塊布置在無(wú)限大的板上，假設(shè)有一平面彎曲波從板的左側(cè)以角度φ入射阻振質(zhì)量。板的邊界不存在波的反射，那么根據(jù)板和阻振質(zhì)量的耦合邊界條件等可以得到其透射系數(shù)

其中rm為阻振質(zhì)量的橫截面慣性半徑；kbm為彎曲振動(dòng)波數(shù)；ktm為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)波數(shù)；ρp為板單位面積的質(zhì)量。

采用隔振度來(lái)衡量阻振質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)聲的阻抑作用，隔振度越大，抑制作用越強(qiáng)。隔振度公式為

式中φ為透射系數(shù)的平均值

圖3 阻振質(zhì)量隔振度隨頻率變化曲線

圖3所示為阻振質(zhì)量隔振度隨頻率變化曲線。在全透射頻率以前，阻振質(zhì)量對(duì)彎曲波幾乎沒(méi)有隔離作用；在全透射頻率之后，阻振質(zhì)量對(duì)振動(dòng)噪聲的隔離效果越來(lái)越好，激勵(lì)頻率到達(dá)全阻隔頻率時(shí)，阻振質(zhì)量的隔振效果達(dá)到最好。

圖4 偏心阻振質(zhì)量示意圖

進(jìn)一步對(duì)偏心布置的阻振質(zhì)量塊的隔振度進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，阻振質(zhì)量的偏心布置顯著提高了負(fù)值低谷頻率以外全頻段的隔振性能。由此，既改善了中低頻隔振性能、拓寬了阻振質(zhì)量的工作頻率，同時(shí)又提高了高頻最大隔聲量的幅值。并且隨著阻振質(zhì)量塊偏心距的增大，阻振質(zhì)量對(duì)彎曲波的阻抑效果增強(qiáng)。因此，在滿足艇體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及裝配工藝的前提下，建議偏心布置阻振質(zhì)量塊。

2 復(fù)合雙層底結(jié)構(gòu)仿真分析

雖然目前通過(guò)理論解析的方法來(lái)分析簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)中振動(dòng)波的傳遞非常準(zhǔn)確，但是在對(duì)稍微復(fù)雜一些的結(jié)構(gòu)分析振動(dòng)波的多向傳播時(shí)，就會(huì)變得非常困難。因此，在工程實(shí)際中一般采用數(shù)值仿真的方法來(lái)分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。本文采用有限元法研究中低頻段在水面艦船雙層底中構(gòu)造“┻┳”結(jié)構(gòu)和阻振質(zhì)量塊的振動(dòng)特性。

水面艦船的雙層底結(jié)構(gòu)是由內(nèi)底板、外底板、肋板、底縱桁、內(nèi)底縱骨和船底縱骨組成。內(nèi)底板和外底板均有密集的縱骨支持，可以提高底部的縱向強(qiáng)度。內(nèi)底板和外底板通過(guò)肋板和縱桁相連接。如圖5所示。

圖5 水面艦船雙層底結(jié)構(gòu)示意圖

本艙段是在某艦的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化而建立的。建立的船體艙段模型如圖6所示，船體艙段長(zhǎng)為13 m，船寬20.4 m，艙段高度為14.6 m，基座長(zhǎng)為1.3 m，寬為1.8 m，艙段左右對(duì)稱，各有一個(gè)基座。艙段共有三層甲板和雙層底組成，甲板、雙層底和船體舷側(cè)均有肋骨和加強(qiáng)筋增加剛度和強(qiáng)度。其中甲板、舷側(cè)和雙層底由SHELL 63單元模擬，肋骨和桁架由BEAM 188單元模擬。船舶結(jié)構(gòu)在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（包括肋板、肘板、加強(qiáng)筋等）以及船體外表面均采用每個(gè)波長(zhǎng)范圍有5個(gè)節(jié)點(diǎn)(4個(gè)單元)的網(wǎng)格劃分的原則。但是，為保證數(shù)據(jù)精確，在計(jì)算機(jī)計(jì)算能力允許的范圍內(nèi)盡量細(xì)化網(wǎng)格，提高網(wǎng)格質(zhì)量。鋼板中縱波波速為5 439.28 m/s，模型中最小板厚h=8 mm，計(jì)算頻率上限為400 Hz時(shí)，板中的彎曲波波長(zhǎng)為0.447 m，要求單元尺寸最大為0.112 m，本文的網(wǎng)格大小最大為0.1 m，滿足上述要求。

圖6 艙段結(jié)構(gòu)模型

鋼為各向同性材料，參數(shù)為：楊氏模量E=2.1× 1011Pa，泊松比γ=0.3，密度ρ=7 860 kg/m3，損耗因子η=0.02。

2.1 復(fù)合縱桁結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性研究

采用上述艙段模型，通過(guò)改變雙層底的肋板和縱桁的形式，基于數(shù)值方法開展“┻┳”結(jié)構(gòu)對(duì)艙段振動(dòng)特性的影響研究。針對(duì)雙層底中的縱桁上的球扁鋼的布置形式進(jìn)行了改變，將其改為“┻┳”形結(jié)構(gòu)（如圖7所示）。

圖7 兩種不同形式的縱桁加筋示意圖

加載過(guò)程中，艙段兩端固支，激勵(lì)力為基座面板上0～400 Hz的單位力，采用直接計(jì)算法計(jì)算得到每個(gè)頻率處激勵(lì)點(diǎn)、基座底部評(píng)價(jià)點(diǎn)和殼體上63個(gè)評(píng)價(jià)點(diǎn)的速度、加速度。

對(duì)于單位力作用下的艙段上的評(píng)價(jià)點(diǎn)，取1.0×10-18m2/s2為速度平方的參考值，按式(1)計(jì)算得到單位力作用下的艙段均方速度級(jí)（dB）

對(duì)于單位力作用下的艙段上的評(píng)價(jià)點(diǎn)，取1.0×10-12m2/s2為加速度平方參考值，按式(2)計(jì)算得到單位力作用下艙段的振動(dòng)加速度級(jí)（dB）

圖8和圖9為兩種不同形式縱桁的雙層底的外板均方速度級(jí)和外板加速度級(jí)對(duì)比圖。由外板均方速度級(jí)對(duì)比圖可以看出在反向布置加強(qiáng)筋后在100 Hz～200 Hz之間外板的均方速度級(jí)有所下降，平均下降了4 dB，但是200 Hz～380 Hz以后有不同程度的上升。這說(shuō)明“┻┳”結(jié)構(gòu)對(duì)本水面艦船艙段在100 Hz～200 Hz具有較明顯的阻隔振動(dòng)波的效果?？赡苁且?yàn)樵诖祟l率段內(nèi)，振動(dòng)波與全部二次反射振動(dòng)波的相位相反，從而使得振動(dòng)波的傳遞效率出現(xiàn)了極小值，而在其它頻段兩次振動(dòng)波可能相位相同，出現(xiàn)了極大值，導(dǎo)致振動(dòng)效果增加。而外板的振動(dòng)加速度級(jí)整體沒(méi)有太大的變化，在100 Hz～200 Hz之間有所下降，但也是在200 Hz以后有所上升。對(duì)于有限長(zhǎng)板結(jié)構(gòu)，由于存在結(jié)構(gòu)突變，因此振動(dòng)波發(fā)生了反射，使得振動(dòng)能量在結(jié)構(gòu)的某些部位富集，而改變結(jié)構(gòu)的連接形式后，雖然使得部分頻率處的振動(dòng)反而偏大，但由于“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)相對(duì)于部分其他類型的結(jié)構(gòu)能有效阻隔振動(dòng)波的傳遞，因此整體上來(lái)看，“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)是可以降低振動(dòng)的。

圖8 外板均方速度級(jí)對(duì)比圖

圖9 外板加速度級(jí)對(duì)比圖

在進(jìn)行上述分析之后，又設(shè)計(jì)了添加阻振質(zhì)量塊的縱桁結(jié)構(gòu)模型。阻振質(zhì)量塊不同于一般的加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋相當(dāng)于在板上添加了一個(gè)連續(xù)的線激勵(lì)，而阻振質(zhì)量是一個(gè)大而重的塊狀物體，其截面一般為矩形、圓柱形和正方形，可以沿著振動(dòng)波的傳遞途徑布置在板上，用來(lái)隔離結(jié)構(gòu)聲的傳遞。由于阻振質(zhì)量塊偏心布置可以提高部分頻段的隔聲量[10]；因此，建立的四種模型阻振質(zhì)量塊全部為偏心布置。圖10為將雙層底縱桁上的加強(qiáng)筋換成四種不同的阻振質(zhì)量塊后的示意圖。1號(hào)為添加同向的阻振質(zhì)量塊的縱桁，2號(hào)為添加反向阻振質(zhì)量塊的縱桁，3號(hào)為添加同向一半的阻振質(zhì)量塊的縱桁，4號(hào)為添加反向一半的阻振質(zhì)量塊的縱桁。

圖10 添加四種阻振質(zhì)量塊的縱桁

針對(duì)以上四種雙層底的模型，分別進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。艙段兩端固支，激勵(lì)力為基座面板上0～400 Hz的單位力，采用直接計(jì)算法得到每個(gè)頻率處激勵(lì)點(diǎn)、基座底部評(píng)價(jià)點(diǎn)和殼體上63個(gè)評(píng)價(jià)點(diǎn)的速度、加速度。然后將所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到外板的平均速度和加速度。圖11和圖12分別為四種阻振質(zhì)量塊的外板加速度級(jí)和均方速度級(jí)。

由圖11和圖12可以看出，整體上添加阻振質(zhì)量塊后的曲線變化趨勢(shì)基本一致，在某些頻段降低了振動(dòng)效果，所不同的是共振峰的數(shù)量和幅值也有所變化。在40 Hz～90 Hz以及300 Hz～400 Hz頻段內(nèi)，前兩種都比原艙段有所降低，而后兩種布置方式在某些峰谷頻率處，外板加速度級(jí)有0～5 dB的降低。另外，整體上來(lái)看，前兩種方案比后兩種方案較好，原因是前兩種的偏心距較大，阻振效果明顯。

圖11 四種阻振質(zhì)量塊的艙段外板加速度級(jí)對(duì)比圖

圖12 四種阻振質(zhì)量塊的艙段外板均方速度級(jí)對(duì)比圖

2.2 復(fù)合肋板結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性研究

針對(duì)雙層底內(nèi)橫向布置的肋板，利用在振動(dòng)波的傳遞途徑上設(shè)置結(jié)構(gòu)來(lái)阻隔振動(dòng)波的傳遞，提出了兩種方案，一種為在肋板中間加橫向的加強(qiáng)筋，另外一種將橫向的加強(qiáng)筋替換成阻振質(zhì)量塊。如圖13所示。

圖13 兩種肋板

第一種方案又分別采用3種型號(hào)的球扁鋼來(lái)研究其對(duì)艙段振動(dòng)特性的影響。采用數(shù)值仿真來(lái)計(jì)算得到艙段外板的振動(dòng)均方速度級(jí)和外板加速度級(jí)。

圖14和圖15分別為第一種方案的三種球扁鋼加強(qiáng)筋的外板均方速度級(jí)和加速度級(jí)對(duì)比圖?？梢钥闯銮€基本沒(méi)有大的變化，只是在個(gè)別頻率處有所不同，12號(hào)球扁鋼加強(qiáng)筋在250 Hz～350 Hz內(nèi)有0～1.5 dB的降低，是因?yàn)榍虮怃擃愃朴谧枵褓|(zhì)量塊，大型號(hào)的球扁鋼偏心距較大且質(zhì)量較大，而增大質(zhì)量和增大偏心距可以有更好的隔振效果。

圖14 三種球扁鋼的外板均方速度級(jí)對(duì)比圖

圖15 三種球扁鋼的外板加速度級(jí)對(duì)比圖

圖16和圖17是將兩種方案與原艙段進(jìn)行對(duì)比的外板加速度級(jí)與均方速度級(jí)對(duì)比圖。整體上來(lái)看外板的加速度級(jí)變化不大，但是在0～200 Hz的峰值頻率處，加筋和加阻振質(zhì)量塊使峰值有一定的上升或下降，也就是使共振處的幅值增大。對(duì)于圖17，在曲線的第一個(gè)共振峰處，加筋和加阻振質(zhì)量塊都使曲線峰值增加了8 dB，其它的共振頻率都有所移動(dòng)，可能是在原艙段基礎(chǔ)上增加了新的結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)特性發(fā)生改變，導(dǎo)致最大速度的發(fā)生頻率變化。加阻振質(zhì)量塊在100 Hz～170 Hz之間外板均方速度級(jí)有所降低，而加筋方案卻有一定的增加。但是在240 Hz以后加筋方案的外板均方速度級(jí)有所降低。說(shuō)明加筋和增加阻振質(zhì)量對(duì)于阻隔振動(dòng)波的傳遞在特定的頻段具有一定的效果，在低頻段，阻振質(zhì)量塊的減振效果不理想。

3 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用阻抗失配和波型轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行水面艦船雙層底結(jié)構(gòu)的隔振設(shè)計(jì)。在雙層底振動(dòng)噪聲的傳遞途徑中，構(gòu)造降低振動(dòng)波傳遞的“┻┳”結(jié)構(gòu)和添加使阻抗失配的阻振質(zhì)量塊，以阻斷振動(dòng)噪聲的傳遞。使用數(shù)值仿真方法計(jì)算了隔振設(shè)計(jì)前后艙段結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性能，結(jié)果表明：在雙層底內(nèi)部構(gòu)造“┻┳”形連接結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)阻抗也隨之發(fā)生變化，從而產(chǎn)生阻抗失配，這樣在部分頻段能有效的阻斷振動(dòng)波的傳遞，且阻振質(zhì)量的偏心布置和增大阻振質(zhì)量都會(huì)在一定程度上提高隔振效果。

圖16 加筋與加阻振質(zhì)量塊的外板加速度級(jí)對(duì)比圖

圖17 加筋與加阻振質(zhì)量塊的外板加速度級(jí)對(duì)比圖

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Analysis of Vibration Isolation Characteristics for Composite Double-layer Infrastructures of Naval Vessels

ZHU Cheng-lei,WEIQiang,ZHENG Chao-fan,WENG Zhang-zhuo
(China’s Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China)

To improve the sound stealth performance of naval vessels,a typical double-layer infrastructure was studied for the vessels.The“┻┳”shaped linking structure,which has smaller wave refraction effect in a wide frequency range, was constructed in longerons and ribs of the double-layer infrastructure.The eccentric mass blocks,which have good vibration isolation effects,were added to the infrastructure.The finite element method was used to simulate the vibration characteristics of the infrastructure.The results show that the“┻┳”shaped linking structure built in the double-layer infrastructure can increase the structural impedance greatly and yield impedance mismatch,so that the transmission rate of vibration can be reduced.And the eccentric blocking mass and gaining weight can improve the effect of the vibration isolation.Thus, it is verified that the double-layer infrastructure has good sound stealth performance for naval vessels.

vibration and wave;double-layer infrastructure;mass blocks;sound stealth performance

TB52；U661.44

：A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.003

1006-1355(2015)01-0012-06

2014－04－25

朱成雷(1989－)，男，河南南陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)椋号灤曤[身。E-mail:zhuchenglei@yeah.net

魏強(qiáng)，高級(jí)工程師、博士生導(dǎo)師。