管路敷設(shè)橡膠層對圓柱殼結(jié)構(gòu)振動與聲輻射的影響

劉 帆，周其斗，呂曉軍

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

管路敷設(shè)橡膠層對圓柱殼結(jié)構(gòu)振動與聲輻射的影響

劉 帆，周其斗，呂曉軍

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

以內(nèi)部設(shè)有管路的圓柱殼結(jié)構(gòu)為研究對象,采用結(jié)構(gòu)有限元耦合流體邊界元算法,針對管路內(nèi)、外敷設(shè)不同厚度橡膠層時，圓柱殼結(jié)構(gòu)水下振動與聲學(xué)特性進行數(shù)值計算，從圓柱殼結(jié)構(gòu)振動位移和輻射噪聲 2 個方面探討管路內(nèi)、外敷設(shè)橡膠層對圓柱殼結(jié)構(gòu)水下振動與聲輻射的影響。這對水下結(jié)構(gòu)物的聲學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。結(jié)果表明：對于本算例,管路內(nèi)、外敷設(shè)橡膠層對降低圓柱殼結(jié)構(gòu)水下振動與輻射噪聲具有良好效果，并且管路敷設(shè)橡膠層越厚，減振降噪效果越好。

圓柱殼；管路；振動；聲場；橡膠層

0 引 言

聲隱身性能是潛艇生存力的重要保證。潛艇內(nèi)部存在復(fù)雜的管路系統(tǒng)，由于管路轉(zhuǎn)彎、變截面等原因，流體介質(zhì)在管路傳輸過程中會激起管路振動，進而激起艇體振動并向外輻射噪聲，從而降低潛艇的隱蔽性。因此，有必要對管路系統(tǒng)的振動規(guī)律進行深入研究，探求能夠有效控制管路系統(tǒng)振動噪聲的技術(shù)或措施，這對于實際潛艇管路系統(tǒng)聲學(xué)分析和優(yōu)化具有重要的實際指導(dǎo)意義。

文獻[1]使用振動分析儀采集施加各阻尼措施后圓管末端的速度信號，得到實驗振動的頻域波形并分析，認為阻尼材料厚度越厚、長度越長，阻尼效果越好，并提出了最優(yōu)厚度。文獻[2]對管路阻尼膠帶抑振效果進行了公式計算和抑振效果試驗，認為阻尼膠帶在高頻段（800 Hz ～ 8 kHz）抑振效果明顯。文獻[3]應(yīng)用管路振動試驗測試結(jié)論，證明在管路中非金屬阻尼結(jié)構(gòu)與撓性接管具有相當?shù)臏p振效果。文獻[4]闡述了橡膠的動態(tài)力學(xué)特性和水聲特性，并分析了橡膠應(yīng)用于水下聲隱身技術(shù)特別是管道隔振和減振的理論基礎(chǔ)。文獻[5]對管路表面阻尼處理進行了詳細的理論分析，推導(dǎo)出管路阻尼處理后結(jié)構(gòu)損耗因子計算公式，并計算出 SA-3 阻尼材料的結(jié)構(gòu)損耗因子，認為這種材料高阻尼溫度區(qū)正好符合潛艇工作溫度，減振效果明顯。

上述文獻僅針對孤立管路進行了阻尼材料的減振效果分析，還缺少對管路與潛艇殼體水下流固耦合聲場的研究，為更接近潛艇水下實際狀態(tài)，本文選取圓柱殼這一潛艇典型結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部設(shè)置簡單管路，并對管路與圓柱殼水下的振動與聲學(xué)特性進行研究。

鑒于結(jié)構(gòu)有限元耦合流體邊界元算法針對解決流固耦合問題和預(yù)報圓柱殼水下振動與聲輻射的有效性得到了較好的驗證[6-9]，因此，本文以內(nèi)部設(shè)有管路的圓柱殼結(jié)構(gòu)作為研究對象，采用結(jié)構(gòu)有限元耦合流體邊界元算法，針對管路內(nèi)、外敷設(shè)不同厚度橡膠層時，圓柱殼結(jié)構(gòu)的振動與聲學(xué)特性進行數(shù)值研究，從圓柱殼結(jié)構(gòu)振動位移和輻射噪聲 2 個方面探討管路內(nèi)、外敷設(shè)橡膠層對圓柱殼水下振動與聲輻射的影響。

1 結(jié)構(gòu)有限元耦合流體邊界元算法

水下結(jié)構(gòu)振動與聲輻射是流體與結(jié)構(gòu)相互作用的流固耦合過程。假設(shè)流體理想無粘性，無旋，c0為流體聲速，k 為波數(shù)，ω 為角頻率。

采用有限元方法對方程進行數(shù)值離散，考慮到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)問題，可以得到：

式中：Ms，Ns，Ks分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣，阻尼矩陣，剛度矩陣；a 為節(jié)點位移幅值；F 為直接作用在結(jié)構(gòu)上的節(jié)點力；Fout為外域流體作用于結(jié)構(gòu)濕表面的等效節(jié)點力。

采用文獻[7]和文獻[8]中的方法可以求解得到

式中M 和 N 分別為外域流體對結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量和附加阻尼矩陣。將式（2）代入方程（1），得到最終的流固耦合方程為：

求解方程（3）即可求得濕表面振動位移向量，進而利用公式[9]得到結(jié)構(gòu)的輻射聲功率 W 和結(jié)構(gòu)表面的均方法向速度＜＞。由公式[8]

計算得到濕表面的聲功率級，均方法向速度級，式中Wref= 10-12W，Vref= 5 × 10-8m/s。

2 幾何模型及有限元建模

本文研究所采用的結(jié)構(gòu)模型如圖 1 所示，其中圓柱殼結(jié)構(gòu)用于模擬潛艇艙段，管路水平布置于圓柱殼正中部，管路與圓柱殼之間采用剛性連接。結(jié)構(gòu)模型具體尺寸如表 1 所示。

表 1 圓柱殼結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 1 Parameters of the cylindrical shell

敷設(shè)橡膠層前后，幅值為 100 N 的激振力始終作用在附鋼材屬性的管路上表面的中心節(jié)點上，加力點為 y 軸負方向（豎直向下），圓柱殼體中心距離水面3 m（見圖 2）

利用 MSC.PATRAN 軟件對內(nèi)部設(shè)有簡單管路的圓柱殼進行有限元建模，如圖 3 所示。模型選用三節(jié)點三角形殼單元，圓柱殼單元附鋼材屬性，無橡膠層的管路單元附鋼材屬性，敷設(shè)橡膠層的管路單元附鋼材與橡膠結(jié)合的復(fù)合材料屬性。材料屬性見表 2。

表 2 材料屬性Tab. 2 Material property

針對橡膠層敷設(shè)位置及厚度的不同，建立了 5 種不同的有限元模型，用于計算分析，如表 3 所示。

表 3 五種計算模型Tab. 3 Five calculation models

3 數(shù)值計算及結(jié)果比較分析

針對 5 種不同的有限元模型，采用相同的激振力，進行了水下圓柱殼結(jié)構(gòu)振動與輻射聲場的仿真計算，激振頻率為 50 ～ 990 Hz，步長 10 Hz。計算邊界為自由邊界，考慮水面反射的影響，流體密度為1 020 kg/m3，流體中聲速為 1 450 m/s。

圖 4 和圖 5 分別為 5 種模型圓柱殼濕表面的均方法向速度級頻響曲線和輻射聲功率級頻響曲線。

從圖 4 和圖 5 可看出：與模型 1 相比，在 180 Hz時，模型 2 ～ 模型 5 的圓柱殼濕表面的均方法向速度級的減小量分別為 15.8 dB，25.5 dB，11.7 dB，20.8 dB；在 250 Hz 時，模型 2 ～ 模型 5 的圓柱殼濕表面的輻射聲功率級的減小量分別為 18.8 dB，28.5 dB，11.4 dB，20.7 dB。在整個計算頻率范圍內(nèi)，與模型一相比，管路內(nèi)、外敷設(shè)橡膠層后，圓柱殼濕表面的均方法向速度級和輻射聲功率級都有不同程度地減小，尤其是在幾個峰值頻率附近最明顯。管路敷設(shè)的橡膠層越厚，圓柱殼濕表面均方法向速度級和輻射聲功率級減小量越大，對圓柱殼結(jié)構(gòu)的減振和降低輻射噪聲效果越好。

從圖 5 可看出，模型 1 圓柱殼濕表面均方法向速度級在 180 Hz 時達到峰值。因此，對模型 1 ～ 模型 3在 180 Hz 時圓柱殼（不含端蓋）濕表面的位移云圖進行對比，如圖 6 所示。從圖中可知：與模型 1 相比，管路敷設(shè)橡膠層的圓柱殼濕表面對應(yīng)位置的位移較小。橡膠層越厚，圓柱殼濕表面對應(yīng)位置的位移越小。模型 2 圓柱殼濕表面最大位移是模型 1 圓柱殼濕表面最大位移的 1/6。模型 3 圓柱殼濕表面最大位移是模型 1 圓柱殼濕表面最大位移的 1/19。

以有限元模型的中心為圓心，建立有限元聲場，聲場外徑為 30 m，內(nèi)徑為 2 m，計算得到模型 1 ～ 模型3 在 180 Hz 時的圓柱殼輻射聲場聲壓級云圖，如圖 7所示。

與模型 1 相比，管路敷設(shè)橡膠層的圓柱殼輻射聲場中對應(yīng)點的聲壓級減小。橡膠層越厚，輻射聲場中對應(yīng)點的聲壓級越小。

模型 2 圓柱殼輻射聲場最大聲壓級比模型 1 圓柱殼輻射聲場最大聲壓級減小了 17 dB，模型 3 圓柱殼輻射聲場最大聲壓級比模型 1 圓柱殼輻射聲場最大聲壓級減小了 27 dB。

4 結(jié) 語

數(shù)值研究結(jié)果表明：就本算例而言，管路內(nèi)、外敷設(shè)橡膠層對圓柱殼結(jié)構(gòu)的減振和降低圓柱殼輻射噪聲起到了良好的作用。與管路未敷設(shè)橡膠層的圓柱殼結(jié)構(gòu)相比，管路內(nèi)、外敷設(shè)橡膠層的圓柱殼濕表面的均方法向速度級、輻射聲功率級和圓柱殼濕表面對應(yīng)位置的位移以及圓柱殼輻射聲場對應(yīng)點的聲壓級都有不同程度的減小。

之前學(xué)者僅針對孤立管路進行了阻尼材料的減振效果分析，還缺少對管路與潛艇殼體水下流固耦合聲場的研究，為了更接近潛艇水下實際狀態(tài)，本文選取了圓柱殼這一潛艇典型結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部設(shè)置了簡單管路，并對管路與圓柱殼水下的振動與聲學(xué)特性進行了研究。在實際管路布置中要控制好敷設(shè)厚度，并解決內(nèi)部敷設(shè)的技術(shù)問題。

本文為內(nèi)部管路特性變化對潛艇殼體水下的振動與聲學(xué)特性研究提供了一種思路，探求了有效控制管路系統(tǒng)振動噪聲的措施，對于潛艇水下的聲學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的意義。為了更貼近實際情況，下一步將針對內(nèi)部含復(fù)雜管路及其他強力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)進行水下振動和聲學(xué)特性研究，將有意義的結(jié)論向工程實踐推廣。

[1]王仲, 陳長征, 孔祥軍. 阻尼對水泵管路隔振系統(tǒng)的影響研究[J]. 重型機械, 2015(1): 59-62.

[2]王育平, 張丹才, 余永豐. 通海系統(tǒng)管路阻尼處理降噪技術(shù)研究[J]. 噪聲與振動控制, 2010, 30(4): 40-43.

[3]梁向東, 付愛華. 非金屬阻尼與撓性接管在管路減振中的作用[J]. 振動與噪聲控制, 2004(6): 18-21.

[4]張彩坤, 岳海. 橡膠在水聲隱身技術(shù)中的應(yīng)用[J]. 橡膠資源利用, 2007(3): 3-6, 24.

[5]杜冬菊, 劉愛華, 黃佳典. 阻尼減振在潛艇管路上的應(yīng)用研究[J]. 中國修船, 2004(1): 14-16, 19.

[6]劉帆, 周其斗, 紀剛, 等. 縱桁分布方式對結(jié)構(gòu)振動與聲輻射的影響[J]. 兵器裝備工程學(xué)報, 2006(1): 142-146.

[7]ZHOU Q, ZHANG W, JOSEPH P F. A new method for determining acoustic added mass and damping coefficients of fluidstructure interaction, in: Y. S. Wu, et al (Eds), The Eighth International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures, Elsevier, Amsterdam, 2001, pp. 1185-1195.

[8]ZHOU Q, JOSEPH P F. A numerical method for the calculation of dynamic response and acoustic radiation from an underwater structure [J]. Journal of Sound and Vibration, 2005, 283(3/5): 853-873.

[9]紀剛, 張緯康, 周其斗. 靜水壓力作用的水下結(jié)構(gòu)振動及聲輻射[J]. 中國造船, 2006, 47(3): 37-44.

Effect on cylindrical shell structural vibration and acoustic radiation due to rubbers laying on pipeline

LIU Fan, ZHOU Qi-dou, LV Xiao-jun
(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

A method called structural finite element coupled with fluid boundary element was adopted to calculate the underwater vibration and acoustic characters from a cylindrical shell including a pipeline was affected by the pipeline that surrounded by rubbers different in thickness. The effect of rubbers on the cylindrical shell underwater vibration and acoustic radiation was analyzed from vibration displacement and radiation noise of the cylindrical shell. This provides references for designing acoustic configuration of a underwater structure. The calculation showed that the pipeline surrounded by rubbers different in thickness also decreased the cylindrical shell's underwater radiation noise and vibration for this calculate example. And the thicker rubbers are, the more structural vibration and acoustic radiation are reduced.

cylindrical shell；pipeline；vibration；acoustic field；rubber layer

U661.1

A

1672 - 7619(2017)02 - 0070 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.014

2016 - 06 - 20；

2016 - 07 - 13

國防預(yù)研基金資助項目（9140A14080512J1311165）

劉帆(1991 - )，男，碩士研究生，研究方向為振動與噪聲控制。