低振動粘彈性阻尼結構油箱仿真與試驗研究

李德遠，武　朝，毛旭耀，劉貽歐，毋　迪（. 海軍駐43廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 5004；. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 43005）

低振動粘彈性阻尼結構油箱仿真與試驗研究

李德遠1，武朝2，毛旭耀2，劉貽歐2，毋迪2
（1. 海軍駐431廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205）

為解決結構油箱振動大、易于傳遞的突出問題，本文應用有限元理論對油箱進行形式結構模態分析，得出了油箱的多階固有頻率，并據此確定了合理的油箱結構形式。在此結構油箱基礎上，通過填充粘彈性阻尼降低結構油箱的振動并開展試驗。試驗結果表明，粘彈性阻尼結構油箱較無阻尼結構油箱在 50 Hz 的液壓泵組激振頻率條件下，減振效果可達 15 dB。

結構油箱；模態分析；粘彈性阻尼

0　引　言

緊湊型液壓系統設計中，油箱通常作為整個油站的安裝基座，液壓泵、液壓閥塊、過濾器、冷卻器等設備及附件均安裝在油箱上，以減小油站的占地尺寸，提高集成化程度，因此油箱必須是一個高強度結構件，具備足夠的強度和剛度，這種油箱通常被稱作結構油箱。液壓泵組作為振動噪聲源，其振動直接傳遞給結構油箱，一旦液壓泵組的激振頻率與結構油箱的固有頻率相接近，將產生強烈的共振現象，增大系統振動噪聲，嚴重影響液壓系統的正常運行。因此有必要對結構油箱進行優化設計，確保結構油箱的固有頻率避開液壓泵組的激振頻率，并增加阻尼以減小油站整體的振動噪聲。

1　粘彈性阻尼

粘彈性阻尼材料是近年來發展起來的一種有效的減振降噪技術，可以在很寬的頻域和溫域范圍內實現振動控制，特別適用于隨機寬帶條件下的結構減振問題，同時粘彈性阻尼材料具有使用成本低和易于操作等特點，因而被廣泛應用［1-5］。

粘彈性阻尼材料的工作機理：粘彈性材料具有彈性和粘性雙重特性，這種材料在結構振動外力引起的交變應力作用下，其曲折的分子鏈會產生拉伸、扭曲等變形，由于分子運動要克服阻力，因此應變往往滯后于應力的變化，在一定頻率和溫度范圍內，這種滯后現象十分明顯，滯后的形變運動需要克服較大的阻力，通過這種分子間的內摩擦力把力學能量轉化為熱能，可將一部分振動機械能量在阻尼內部消耗掉，起到阻尼效果，以達到減小振動能量的目的［6-8］。

2　結構油箱的模態分析

本文油站所用泵組的轉速約 3 000 r/min，經檢測，該泵組在 50 Hz 附近存在較大的振動，在 0 ～ 3 kHz 的其他頻率段振動幅度均較小，因此要求結構油箱的固有頻率盡量遠離 50 Hz，以減小油站整體的振動。根據結構油箱的載荷情況，本文對油箱進行結構設計，提出 A，B，C 三種設計方案，并借助 Ansys 軟件對結構油箱進行模態分析，求解出固有頻率，利用分析數據對結構油箱設計結果的合理性進行評判。

2.1油箱 A

較高階頻率所對應振型在振動過程中對設備的振動影響較小，并且由于結構中阻尼的存在，高頻對應的振型會迅速衰減，因此分析設備的前幾階固有頻率即可［9-10］。在 Ansys 軟件中采用四邊形四節點板殼單元 Shell 63，材料為鋼，密度為 7 950 kg/m3，楊氏模量為 2.1 × 1011Pa，泊松比為 0.3，并運行 Block Lanczos方法進行模態分析計算，得出油箱 A 的前 10 階固有頻率如表1 所示。

表1　油箱 A 的固有頻率Tab. 1　Characteristic frequency of tank A

從表1 可看出，油箱 A 的 1 階固有頻率為 57.9 Hz，非常接近于液壓泵組的固有頻率 50 Hz，容易引起共振，因此必須對油箱進行改進設計，其 1 階振型如圖1 所示。

圖1　油箱 A 的 1 階振型圖Fig. 1　First order model of tank A

2.2油箱 B

從圖1 可看出，油箱 A 的一階振動主要發生在油箱底部，因此需要對此處的結構進行改進設計，同時考慮到安裝濾器等附件。

利用 Ansys 對油箱 B 進行模態分析，得出其前 10階固有模態頻率如表2 所示，1 階振型圖如圖2 所示。

表2　油箱 B 的固有頻率Tab. 2　Characteristic frequency of tank B

圖2　油箱 B 的 1 階振型圖Fig. 2　First order model of tank B

從表2 可看出，油箱 B 的 1 階固有頻率為 82.5 Hz，約為液壓泵組固有頻率的 1.65 倍，基本可以避免出現共振現象。油箱 B 的 1 階振動集中在油站附件安裝面板上，油箱整體框架結構幾乎無振動，說明油箱 B 的結構設計合理可行。

2.3油箱 C

為進一步研究填充粘彈性阻尼材料對結構油箱固有頻率的影響，以油箱 B 的結構為基礎，在其 4 個側面及底面填充 5 mm 厚的某粘彈性阻尼材料，建立油箱 C 的有限元模型。

對油箱 C 進行模態分析，得出其前 10 階固有模態頻率如表3 所示，1 階振型圖如圖3 所示。

從表3 可看出，油箱 C 的 1 階固有頻率為 79.6 Hz，約為液壓泵組固有頻率的 1.59 倍，也可避免出現共振現象，說明油箱 C 的結構設計合理可行。

對比表2 和表3 可看出，油箱 C 的各階固有頻率均比油箱B對應的固有頻率有所降低，降低約 3 ～ 7 Hz。

表3　油箱 C 的固有頻率Tab. 3　characteristic frequency of tank C

圖3　油箱 C 的 1 階振型圖Fig. 3　First order model of tank C

3　試驗對比分析

通過 Ansys 仿真分析可知，油箱 B 和油箱 C 的結構設計均滿足使用需求，為進一步研究填充粘彈性阻尼材料的減振效果，開展試驗以測試樣機的振動響應。

3.1樣機及測點布置

振動測試樣機及測點布置如圖4 所示。

圖4　樣機實物圖Fig. 4　Prototype practicality picture

試驗采用寬帶隨機激勵，測量樣機填充粘彈性阻尼前后的振動加速度響應。測試頻率范圍 0 ～ 3 kHz，激勵方式采用電磁式激振機，共 2 個激振點，激振點1 位于樣機上表面邊界處，激振點 2 位于樣機上表面面板中心，在試驗樣機上一共布放 16 個加速度計，分別布置在油箱的 6 個面上。

3.2測試系統

測試系統由工控機、信號發生器、功率放大器、激振機、數據采集系統、加速度傳感器等組成（見表4）。信號發生器發出振動信號，通過功率放大器傳遞給電磁激振機，作用在試驗樣機激振點位置，數據采集系統采集 16 個加速度傳感器的檢測數據，并傳遞給工控機以記錄和處理相關數據。

表4　儀器儀表清單Tab. 4　Instrument list

3.3試驗結果

圖5　上面板測點加速度信號線譜圖Fig. 5　Acceleration signal spectrum diagram of the upper panel measuring point

圖6　上面板測點傳遞損失圖Fig. 6　Transfer loss diagram of the upper panel measuring point

本試驗測點較多，限于論文篇幅，本文在油箱上面板、前側面板和底面板各選取一個測點，將 3 個測點的數據整理分析如下：

1）上面板測點

圖5 ～ 圖6 是上面板在樣機填充粘彈性阻尼材料前后振動加速度響應對比圖。從圖5 ～ 圖6 可看出，填充粘彈性阻尼材料后，樣機上面板在 40 Hz 以下頻段減振效果不明顯，在 40 ～ 200 Hz 頻段，減振效果在1 ～ 5 dB，在液壓泵組激振頻率 50 Hz 附近，減振約1 dB，在 200 Hz 以上頻段，減振效果較好，達到5 ～ 15 dB。

2）前側面板測點

圖7 ～ 圖8 是前側面板在樣機填充粘彈性阻尼材料前后振動加速度響應對比圖。

圖7　前側面板測點加速度信號線譜圖Fig. 7　Acceleration signal spectrum diagram of the front panel measuring point

圖8　前側面板測點傳遞損失圖Fig. 8　Transfer loss diagram of the front panel measuring point

從圖7 ～ 圖8 可看出，填充粘彈性阻尼材料后，樣機前側面板在 40 Hz 以下頻段，減振效果在 2 ～ 5 dB，在 40 ～ 200 Hz 頻段，減振效果明顯，達到 10 ～ 25 dB，在液壓泵組激振頻率 50 Hz 附近，減振約 15 dB，在200 Hz 以上頻段，減振達到 15 dB 以上。

3）底面板測點

圖9 ～ 圖10 是底面板在樣機填充粘彈性阻尼材料前后振動加速度響應對比圖。從圖9 ～ 圖10 可看出，填充粘彈性阻尼材料后，樣機底面板在 40 Hz 以下頻段，減振效果非常明顯，平均達到 15 dB 以上，在 40 ～200 Hz 頻段，減振效果明顯，平均達到 10 dB 以上，在液壓泵組激振頻率 50 Hz 附近，減振約 20 dB，在200 Hz 以上頻段，除個別頻段減振 5 dB 左右，大部分都在 10 dB 以上。

3.4試驗結論

通過對試驗樣機在填充粘彈性阻尼材料前后的振動響應數據對比，可以得出以下結論：

1）通過填充粘彈性阻尼材料可以有效降低結構油箱的振動，而且粘彈性阻尼材料可以在很寬的頻域內對振動進行控制。

2）結構油箱的側面板和底面板的減振效果比較明顯，在 200 Hz 以下的低頻段，減振效果在 10 dB 左右，在 200 Hz 以上的高頻段，減振可達 15 dB 以上。

3）由于結構油箱的上面板未填充粘彈性阻尼材料，所以該部位的減振效果不顯著，在 200 Hz 以下的低頻段，平均減振效果在 2 dB 以下，在 200 Hz 以上的高頻段，減振效果約 5 dB。

4）結構油箱的側面板和底面板被設計為油站的安裝面，在 50 Hz 的激振條件下，減振效果均在 15 dB以上，因此在液壓泵組正常工作時（工作頻率為 50 Hz），可以有效降低油站向周邊結構的振動傳遞。

圖9　底面板測點加速度信號線譜圖Fig. 9　Acceleration signal spectrum diagram of the bottom panel measuring point

圖10　底面板測點傳遞損失圖Fig. 10　Transfer loss diagram of the bottom panel measuring point

4　結　語

本文在 Ansys 模態分析的基礎上設計出結構合理的油箱，并且在試驗室開展相關試驗，對比分析試驗樣機填充粘彈性阻尼前后的振動加速度響應，研究填充粘彈性阻尼材料對結構油箱振動的影響，得出如下結論：

1）通過 Ansys 仿真分析優化設計出合理的結構油箱，避開了液壓泵組的激振頻率。

2）填充粘彈性阻尼材料會降低結構油箱的各階固有頻率，為避免出現共振現象，有必要運用 Ansys 軟件對其進行模態分析。

3）填充粘彈性阻尼材料可以有效降低結構油箱的振動，尤其是在 50 Hz 的液壓泵組激振頻率條件下，減振效果可達 15 dB 以上，充分說明采用填充粘彈性阻尼材料的方法來降低結構油箱的振動可行。

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Simulation and experimental study on low vibration and viscoelastic damping constructional tank

LI De-yuan1， WU Chao2， MAO Xu-yao2， LIU Yi-ou2， WU Di2
（1. The Naval Representative Office in No. 431 Shipyard， Huludao 125004， China；
2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute， Wuhan 430205， China）

In order to solve the problem of high vibration and easy transfer of constructional tank， modal analysis has been executive with the finite element theory， which calculates the characteristic frequency to adopt the reasonable construction of the tank. Based on this， viscoelastic damping has been filled in to reduce the vibration of constructional tank，and the experiment has been carried out. It is showed under the condition that the excited frequency is 50 Hz， the viscoelastic damping constructional tank can reduce vibration strength as much as 15dB， compared with the tank without viscoelastic damping.

constructional tank；modal analysis；viscoelastic damping

TH137

A

1672-7619（2016）05-0074-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.016

2015-12-04；

2016-02-02

李德遠（1965-），男，高級工程師，主要從事船舶裝置研究。