螺栓連接及其預緊力矩對船舶約束阻尼板振動特性的影響

徐得志,任晉宇

(武漢交通職業(yè)學院 船舶與海洋工程學院,武漢 430065)

?

螺栓連接及其預緊力矩對船舶約束阻尼板振動特性的影響

徐得志,任晉宇

(武漢交通職業(yè)學院 船舶與海洋工程學院,武漢 430065)

針對船舶約束阻尼板的不同敷設工藝方案，通過數(shù)值仿真計算及試驗測試約束阻尼板的結構模態(tài)阻尼因子，分析螺栓及螺栓預緊力矩對結構模態(tài)阻尼因子的影響。仿真計算與試驗結果發(fā)現(xiàn)，在約束阻尼層上增加螺栓后，各階模態(tài)阻尼因子明顯增加；當螺栓預緊力矩在一定范圍時，絕大部分的各階模態(tài)頻率略有增加，但變化值較小，約束阻尼板上的螺栓不僅可以固定阻尼膠板還能明顯增加阻尼板的減振降噪性能，但螺栓預緊力矩對阻尼板振動性能影響不大。

螺栓預緊力矩；約束阻尼板；模態(tài)特征；安裝工藝

現(xiàn)在船舶建造過程中，為了實現(xiàn)低噪聲安裝工藝，約束阻尼層敷設技術越來越多應用于船舶板材敷設安裝工藝中，約束阻尼板敷設工藝日益受到重視，約束阻尼板的安裝工藝的好壞直接影響了該船結構震動性能。因此,如何抑制約束阻尼板結構的振動,控制其結構的噪聲輻射是船舶企業(yè)施工人員最為關注的問題之一。目前約束阻尼板有兩種安裝方式：將阻尼材料利用粘性劑將其粘貼到型材上；先進行粘貼然后加螺栓固定。相關的工作集中于分析應用船舶復合材料阻尼板振動聲學特征[1-2]；將敷設阻尼材料應用在加筋雙層圓柱殼的低階模態(tài)振動特性研究[3], 研究多種材料螺栓連接對結構模態(tài)及傳遞特性影響[4]，但關于螺栓連接及其預緊力矩對約束阻尼板的模態(tài)特征及其振動分析研究較少。同時其在實船安裝過程中采用何種敷設工藝更為優(yōu)異并沒有定性結論。

評判敷設阻尼材料結構的減振降噪性能高低的一個主要指標是敷設阻尼材料后，結構的各階模態(tài)所對應的模態(tài)阻尼因子是否有明顯增加。一般情況下，模態(tài)阻尼因子越大，結構在外界激勵情況下消耗的振動能量越多，減振降噪性能也就越好。在測試頻段選取方面，考慮到結構的低階模態(tài)對結構響應的貢獻最大，其對應的振動形態(tài)所消耗的能量也最大[5]。因此考慮主要測試及計算阻尼板的低階模態(tài)阻尼因子。本文主要根據(jù)物理測試臺架建立有限元模型，采用仿真計算和物理實測方法分析實際施工過程中螺栓預緊力矩的大小變化對船舶約束阻尼板振動特性的影響，通過測試及數(shù)值仿真計算約束阻尼板的結構模態(tài)阻尼因子，來分析螺栓及螺栓預緊力矩對結構模態(tài)阻尼因子的影響，從而設定實船約束阻尼板敷設工藝參數(shù)。

1　有限元模型建模及計算

1.1模型結構

BN阻尼板試驗模型的結構由上下層框架、中間帶螺栓的約束阻尼板和底部的支撐結構。

針對BN阻尼板的試驗模型，利用有限元軟件建模，計算阻尼板結構的模態(tài)。約束阻尼板中底部鋼板(6 mm厚)與框架用螺栓固定，其阻尼層約束板和框架沒有接觸。因此，有限元模型中阻尼層約束板邊界和框架間設置1 mm間隙；在12個螺栓連接部位采用節(jié)點耦合自由度方法[6]，盡可能地與試驗模型保持一致。

1.2網(wǎng)格劃分

選擇的單元類型為SOLID185。該單元用于構造三維的固體結構，通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著x、y、z方向平移的自由度。此外，該單元具有超彈性、應力鋼化、蠕變、大變形和大應變能力；試驗模型采用了鋼板和阻尼橡膠兩種不同的材料。在指定網(wǎng)格劃分屬性時，對所需劃分的部分指定其材料屬性、單元類型等，從而完成模型中不同材料屬性的賦值，所建有限元模型見圖1。

圖1　有限元模型

針對BN阻尼板模型，預緊力矩為12 N·m時，有限元6階模態(tài)仿真計算結果見圖2。

圖2　BN阻尼板模型前4階模態(tài)

2　模態(tài)試驗

2.1模態(tài)試驗測試設備及原理

試驗測試BN阻尼板結構的阻尼因子采用LMS 12通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及B&K 3向加速度傳感器，見圖3。

圖3　LMS 12通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

對于有阻尼振動系統(tǒng)，其頻率響應函數(shù)為[7]

式中：2jωrmrQr=1；

mr——模態(tài)質量；

Qr——比例換算因子。

2.2模態(tài)試驗測試方法及步驟

采用力錘敲擊板結構的某點，同時測量敲擊點處的加速度響應。計算得到敲擊點處的頻率響應函數(shù)。其計算結構阻尼因子的方法為半功率點法。為保證能夠準確測試得到各測點頻響函數(shù)，并能夠從頻響函數(shù)曲線上準確識別出所有的前6階固有頻率(最高的模態(tài)頻率不超過450 Hz)以及對應的阻尼因子，選擇采樣參數(shù)如下：采樣率2 000 Hz；每一段數(shù)據(jù)采集點數(shù)8 k；平均次數(shù)4次；頻響函數(shù)的頻譜分辨率為0.24 Hz。

針對BN阻尼板進行模態(tài)試驗測試，模態(tài)試驗的過程是：首先在要測試的阻尼板上進行區(qū)間劃分(如圖4所示)，在A1、A2、A3點處安裝加速度傳感器；利用力錘進行多點激勵，采用單點輸出的方法進行各點傳遞函數(shù)的測量，利用模態(tài)分析軟件，提取相應模態(tài)，分析結果。

圖4　阻尼板模態(tài)試驗臺架

針對BN阻尼板模型(預緊力矩為3 N·m)，其各階固有頻率的對比見表1。

表1　預緊力矩為3 N·m時，BN阻尼板結構固有頻率實測與仿真對比

由表1可見，有限元模型的前6階的振動固有頻率與測試的固有頻率結果的相對誤差都在5%以內，這表明本文所建立的針對粘敷約束阻尼板數(shù)值仿真模型，可很好地反映其結構的動力特性。

2.3結果誤差原因

仿真結果與試驗結果產(chǎn)生誤差原因：①在進行有限元模型建模時，不可避免地對測試模型進行一些簡化處理，如螺栓處，粘結面等；對工程實際阻尼進行了簡化，而實際的橡膠材料的阻尼耗能機理十分復雜；②試驗模型在下料、加工過程中，不可避免地會有一些尺寸上的誤差，而有限元模型則嚴格按照設計圖紙進行建模。

3　螺栓及其預緊力的影響分析

3.1阻尼板有無安裝螺栓對其性能的影響

表2列出了預緊力矩為12 N·m時，BN阻尼板結構在安裝螺栓以及沒有安裝螺栓時固有頻率實測與仿真對比表。

由表2可見，在約束阻尼層上增加螺栓后，前3階的固有頻率有所增加，增加量級基本在2%～4%之間。而后3階的固有頻率增加很少，基本在1%以內。

3.2螺栓預緊力矩對約束阻尼板性能影響

加預緊螺栓約束阻尼板的模態(tài)實測與仿真結果對比分析見表3。

由表3可見，當螺栓預緊力矩從0變化到12 N·m時，絕大部分的各階模態(tài)頻率略有增加，變化值基本在1 Hz范圍內。相應的模態(tài)阻尼因子大小基本在0.1%范圍內波動，而且變化沒有什么規(guī)律。說明螺栓預緊力矩對阻尼板聲學性能影響不大。

表2　預緊力矩為12 N·m時，BN阻尼板結構固有頻率實測與仿真對比

表3　加預緊螺栓BN阻尼板的模態(tài)實測與仿真結果對比

4　結束語

通過仿真計算得到的各個阻尼板模型的前6階模態(tài)頻率和試驗測試得到的基本一致，計算結果的誤差基本控制在5%以內，數(shù)值仿真得到的模態(tài)結構阻尼因子的變化規(guī)律基本和試驗測試的結果一致，證明仿真計算模型的動力學特性基本能夠反映試驗模型的特點。

由于橡膠材料的阻尼耗能機理復雜，仿真模型與其存在偏差，模態(tài)結構阻尼因子計算結果相對誤差較大。其誤差基本在10%以內。

通過計算和測試發(fā)現(xiàn)，在約束阻尼層上增加螺栓后，各階模態(tài)阻尼因子增量，得到增加量級在10%～20%之間。說明約束阻尼板上的螺栓能明顯的增加阻尼板的減振降噪性能。同時得到螺栓預緊力矩對阻尼板聲學性能影響不大。

在實船約束阻尼板安裝時，增加螺栓件從提高減振性能方面來說是必要的，在施工過程中只要能夠擰緊，就能達到固定阻尼膠板的要求以及實現(xiàn)約束阻尼板減振性能。

橡膠材料的阻尼性能是影響仿真計算和試驗測試的重要因素，在后續(xù)研究中會進一步考慮該因素對整體結構振動性能影響。

[1] HARARI A, SANDLN B E, ZALDONIS J A. Analytical and experimental determination of the vibration and pressure radiation from a submerged stiffened cylindrical shell with two end plate[J]. Aeoust Soc Am,1994,95(6)：3360-3368.

[2] CUNEFARE K A, CURREY M N. On the exterior acoustic radiation modes of structure[J].Aeoust Soc Am,1994,96(4)：2302-2312.

[3] 陳美霞,駱東平,曹鋼,等.有限元加筋雙層圓柱殼低價模態(tài)聲輻射性能分析[J].哈爾濱工程大學學報,2004,25(4):446-450.

[4] 陳長盛，王強，柳瑞鋒，等.螺栓連接對結構模態(tài)及傳遞特性影響研究[J].振動與沖擊,2014，33(2)：178-181.

[5] 唐銳.水下殼體結構低頻聲輻射預報方法與試驗測試技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

[6] GHORASHI S S, VALIZADEH N, MOHAMMADI S. Extended isogeometric analysis for simulation of stationary and propagating cracks[J]. Int J Numer Meth Engng,2012(9):277-283.

[7] WARD H, STEFAN L, PAUL S. Modal analysis theory and testing[M]. Katholieke Universiteit Levven, Brussel, Belgium,1997.

Effect of Bolt Pre-tightening Torque upon the Vibration Characteristics for a Constraint Damping Plate

XU De-zhi, REN Jin-yu

(School of Shipbuilding and Marine Engineering, Wuhan Technical College of Communications, Wuhan 430065, China)

Aiming at the different technique scheme for the constraint damping plate, the influences of the bolt arrangement and pre-tightening torque upon the structural modal damping factor are analyzed by numerical and experimental methods. The results show that when the bolt number is increased, the modal damping factor of the constrained plate is increased remarkably; when the pre-tightening torque of bolts is increased, the modal frequency increases slightly. So that the bolts can obviously increase the damping noise reduction performance of damping plate, in addition to the fixed damping rubber sheet, but the bolt pre-tightening torque plays small role on acoustic performance.

bolt pre-tightening torque; constraint damping plate; modes characteristics; installation process

2015-12-23

2016-01-19

湖北省高等學校教學研究項目(2011440)

徐得志(1965—)，男，碩士，副教授

U661.44

A

1671-7953(2016)04-0054-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.013

研究方向:船舶力學性能

E-mail:515429822@qq.com