尾軸承橡膠硬度對(duì)螺旋槳橫向激振力引起艇體結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射特性的影響

劉文璽，周其斗

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系， 武漢 430033)

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尾軸承橡膠硬度對(duì)螺旋槳橫向激振力引起艇體結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射特性的影響

劉文璽，周其斗

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系， 武漢 430033)

從振源振動(dòng)傳遞路徑的聲學(xué)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，以改變靠近螺旋槳后尾軸承橡膠夾層的橡膠硬度為具體措施，采用結(jié)構(gòu)有限元法、結(jié)構(gòu)有限元耦合流體邊界元方法，以輻射聲功率、濕表面均方法向速度作為衡量結(jié)構(gòu)噪聲輻射能力的主要衡量指標(biāo)，系統(tǒng)地研究潛艇結(jié)構(gòu)振動(dòng)、輻射噪聲譜峰頻率和峰值的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：在低頻段，隨著后尾軸承橡膠硬度的增大，譜峰頻率明顯向高頻移動(dòng)，第一、二峰值都呈增大趨勢(shì)；與傳統(tǒng)的船用后尾軸承相比，采用帶橡膠夾層的后尾軸承，在一定的頻帶范圍內(nèi)，能夠有效地降低潛艇結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和輻射噪聲。因此，改變后尾軸承橡膠硬度，可以使譜峰頻率向高頻或低頻移動(dòng)，這樣就能夠使設(shè)備激振力的譜峰頻率與結(jié)構(gòu)振動(dòng)及輻射噪聲的譜峰頻率錯(cuò)開，實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射噪聲的控制，達(dá)到減振降噪的目的。

尾軸承；橡膠硬度；振動(dòng)；輻射噪聲；譜峰頻率；傳遞路徑

研究尾軸承橡膠硬度對(duì)螺旋槳橫向激振力引起艇體結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射特性的影響，對(duì)潛艇減振降噪具有重要意義，迄今為止，很多學(xué)者在這方面的研究取得了一定成果。

劉正林[1]針對(duì)船舶尾軸承的減振降噪，進(jìn)行橡膠材料硬度對(duì)艉軸系振動(dòng)影響的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：中低速下硬度偏低的振動(dòng)較大，速度較高時(shí)，橡膠硬度越高，振動(dòng)幅值增加的速度越緩慢。金勇[2]研究了水潤(rùn)滑橡膠尾軸承的動(dòng)態(tài)特性。橡膠具有優(yōu)良的減振性能，可以有效地減小艉軸振動(dòng)，降低軸承噪聲輻射。祁亮[3]分析了船舶軸系中間軸承作用特點(diǎn)，針對(duì)中間軸承不同布置、不同支承剛度以及取消中間軸承的回旋振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，中間軸承縱向布置影響系統(tǒng)的固有頻率，中間軸承支承剛度對(duì)系統(tǒng)固有特性影響較小。朱軍超[4]研究了尾軸承有效接觸長(zhǎng)度變化對(duì)軸系振動(dòng)固有頻率的影響，結(jié)果表明：隨著尾軸承的有效接觸長(zhǎng)度的降低，軸系振動(dòng)的固有頻率也隨之降低，其中以后尾軸承對(duì)軸系低階振動(dòng)固有頻率影響較為突出。王濱[5]對(duì)船舶軸系進(jìn)行了三維幾何建模，對(duì)不同位置、不同剛度的軸承的軸系固有振動(dòng)特性進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果表明，不同位置軸承剛度的變化對(duì)船舶軸系固有振動(dòng)特性的影響有很大的不同。陳明[6]采用4種不同硬度的橡膠軸承，在軸系試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，研究了硬度對(duì)軸系振動(dòng)的抑制效果，但沒有分析其機(jī)理及適用范圍。黃莉[7]利用有限元仿真方法、試驗(yàn)方法研究了阻尼層對(duì)軸承模態(tài)頻率和模態(tài)振型的影響，與非阻尼軸承相比，阻尼軸承低階固有頻率較低，在低階固有頻率附近存在一定的能量集中，但在正常工作轉(zhuǎn)速(0～200 Hz)工況下，不會(huì)發(fā)生共振，阻尼層能夠降低軸承的振動(dòng)，特別是在高轉(zhuǎn)速、高載荷的工況下減振效果顯著。

上述研究主要集中在軸承對(duì)軸系振動(dòng)特性的影響規(guī)律，隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)：要控制螺旋槳、軸系、艇體結(jié)構(gòu)這個(gè)耦合系統(tǒng)的耦合振動(dòng)問題，不僅要控制軸系振動(dòng)，更要控制螺旋槳、軸系、艇體結(jié)構(gòu)的耦合振動(dòng)以達(dá)到控制艇體振動(dòng)的目的。在螺旋槳縱向激振力得到一定控制后，橫向激振力激起的艇體振動(dòng)和輻射噪聲又凸顯出來，需要采取措施進(jìn)行控制。

螺旋槳橫向激振力通過軸經(jīng)過軸承作用到艇體結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的船用尾軸承的徑向支撐剛度較大，不具有隔振和降低船舶輻射噪聲的功能，而后尾軸承的支撐剛度對(duì)潛艇整艇結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和輻射噪聲具有重要的影響，若要使?jié)撏Ь哂休^低的輻射噪聲，必須改善后尾軸承的支撐剛度。

基于上述分析，從以下方面開展研究：① 研究槳、軸、艇體耦合系統(tǒng)的振動(dòng)和輻射噪聲；② 降低螺旋槳橫向激振力向艇體結(jié)構(gòu)的傳遞。在傳統(tǒng)后尾軸承的基礎(chǔ)上，設(shè)置兩層襯套，在兩層襯套之間設(shè)計(jì)橡膠隔振阻尼層，降低后尾軸承的支撐剛度，使船用后尾軸承具有隔振的功能。

通過改變橡膠的硬度，改變潛艇結(jié)構(gòu)振動(dòng)和輻射噪聲的譜峰頻率，降低峰值，也就改變艇體結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性。使設(shè)備激振力的譜峰頻率與結(jié)構(gòu)振動(dòng)和輻射噪聲的譜峰頻率錯(cuò)開，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇輻射噪聲的控制[8]。

1 螺旋槳橫向激振力傳遞路徑

螺旋槳橫向激振力的傳遞路徑如圖1中的箭頭所示，橫向激振力自螺旋槳開始，通過軸到達(dá)后尾軸承、前尾軸承、推力軸承，再由后尾軸承傳遞到非耐壓結(jié)構(gòu)及整艇，由前尾軸承傳遞到耐壓結(jié)構(gòu)及整艇，由推力軸承傳遞到基座結(jié)構(gòu)、耐壓艇體結(jié)構(gòu)、非耐壓體結(jié)構(gòu)及整艇，從而激起整艇結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，總之，螺旋槳橫向激振力經(jīng)軸并通過軸承作用到艇體，所以，控制螺旋槳橫向激振力激起的艇體振動(dòng)，就是要控制由軸經(jīng)軸承傳遞到艇體結(jié)構(gòu)的橫向激振力。

本文不研究如何控制螺旋槳產(chǎn)生的橫向激振力從而控制作用到艇體的橫向激振力，而是假設(shè)螺旋槳產(chǎn)生的橫向激振力不變，以結(jié)構(gòu)有限元、結(jié)構(gòu)有限元耦合流體邊界元的數(shù)值計(jì)算方法為基礎(chǔ)，通過后尾軸承的結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)，控制傳遞到艇體上的橫向激振力。

圖1 螺旋槳橫向激振力傳遞路徑

2 基本方程

2.1 計(jì)算模型

以單殼體SUBOFF型[9]潛艇模型為研究對(duì)象，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1，板厚分布如圖2所示，其中耐壓殼板厚除艙壁附近是6 mm以外，其余都是4 mm。

采用PATRAN有限元軟件對(duì)SUBOFF潛艇模型進(jìn)行有限元建模，其中螺旋槳、軸承采用實(shí)體單元，其他結(jié)構(gòu)主要采用面單元和梁?jiǎn)卧赝w縱向，一個(gè)肋骨間距保證至少兩排單元。

表1 SUBOFF潛艇模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2～圖5為SUBOFF潛艇的結(jié)構(gòu)有限元模型，其中圖2為 SUBOFF 潛艇整艇結(jié)構(gòu)有限元模型，潛艇結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了能清楚地表示內(nèi)部板厚，這里只畫出整個(gè)模型的一半，圖3為內(nèi)部結(jié)構(gòu)有限元模型，圖4為艉部軸系系統(tǒng)有限元模型，圖5為螺旋槳結(jié)構(gòu)有限元模型，本文只研究艇體在螺旋槳橫向激振力作用下的聲學(xué)特性，激振力如圖4所示。

圖2 SUBOFF整艇結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 SUBOFF內(nèi)部結(jié)構(gòu)有限元模型

圖4 艉部軸系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元模型

圖5 螺旋槳結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 結(jié)構(gòu)-流體耦合方程

水下結(jié)構(gòu)振動(dòng)與輻射噪聲問題是一個(gè)流體—結(jié)構(gòu)相互作用的流固耦合問題。考慮如圖6所示的結(jié)構(gòu)-流體相互作用的系統(tǒng)：S0表示彈性薄殼結(jié)構(gòu)，Ωo表示流體外域，流體外域充滿密度為ρo的聲介質(zhì)，其聲速為co，若系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，角頻率為ω，則波數(shù)ko=ω2/co[8]，對(duì)結(jié)構(gòu)域采用有限元離散，對(duì)外域流體采用邊界元法以獲得附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)，將附加質(zhì)量和附加阻尼疊加到結(jié)構(gòu)有限元質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣上，建立考慮流體耦合作用的有限元結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)方程如下式

(1)

2.3 噪聲輻射能力衡量指標(biāo)

為了衡量潛艇結(jié)構(gòu)的噪聲輻射能力，采用輻射聲功率，濕表面均方法向速度2個(gè)指標(biāo)作為主要衡量指標(biāo)[14]。

輻射聲功率是聲源機(jī)械效率中的有效部分，殼體表面的輻射聲功率大小反映了殼體表面輻射聲波的本領(lǐng)高低；殼體表面的均方法向速度反映了殼體在流場(chǎng)中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，同時(shí)也表征了聲源振動(dòng)的平均速度[8]。它們分別定義如下：

輻射聲功率為

(2)

均方法向速度為

(3)

相應(yīng)地可以定義聲功率級(jí)、均方法向速度級(jí)

式中：Wref=10-12(W)；Vref=5×10-8(m/s)。

圖6 流體-結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)

3 后尾軸承結(jié)構(gòu)改進(jìn)及影響

3.1 后尾軸承結(jié)構(gòu)改進(jìn)

如圖7所示，傳統(tǒng)的船用后尾軸承是一種普通的筒狀滑動(dòng)軸承，艉軸穿過滑動(dòng)軸承，滑動(dòng)軸承固連在船體結(jié)構(gòu)上，與船體結(jié)構(gòu)一起對(duì)艉軸支撐，這種滑動(dòng)軸承的徑向支撐剛度較大，螺旋槳激振力通過艉軸和滑動(dòng)軸承可以直接作用在船體并激起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，這種傳統(tǒng)的船用尾軸承不具有隔振和降低船舶輻射噪聲的功能，但是，后尾軸承的支撐剛度對(duì)潛艇整艇結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與輻射噪聲具有重要的影響，若要使?jié)撏Ь哂休^低的輻射噪聲，必須改善尾軸承的支撐剛度。

從結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞路徑的聲學(xué)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，借鑒機(jī)械設(shè)備安裝合適的隔振器以減弱對(duì)艇體結(jié)構(gòu)的激振力，在傳統(tǒng)船用后尾軸承，設(shè)計(jì)兩層襯套，如圖8所示，在兩層襯套之間設(shè)計(jì)一層以橡膠為材料的隔振阻尼層，通過優(yōu)化橡膠層的硬度，降低后尾軸承的支撐剛度，使船用后尾軸承具有隔振功能。

根據(jù)圖7～圖8所示的結(jié)構(gòu)形式，采用有限元軟件PATRAN對(duì)艉軸及后軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元建模，結(jié)果如圖9所示，其中圖9(a)是艉軸及后尾軸承結(jié)構(gòu)，圖9(b)是后艉軸結(jié)構(gòu)。

圖7 傳統(tǒng)的船用尾軸承

圖8 帶有橡膠夾層的船用尾軸承

圖9 艉軸及后軸承結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 后尾軸承橡膠硬度對(duì)潛艇結(jié)構(gòu)固有頻率的影響

為研究方便，將圖4所示的螺旋槳、后尾軸承及兩者附近的軸段組成的系統(tǒng)稱作軸系系統(tǒng)。

橡膠為丁腈橡膠[10]，橡膠的邵氏硬度值如表2所示，且H1

表2 后尾軸承橡膠硬度

由表3可知，整艇彎曲振動(dòng)一階固有頻率隨后尾軸承橡膠硬度增大而增大。

表3 整艇彎曲振動(dòng)一階固有頻率與后尾軸承橡膠硬度之間的關(guān)系

4 潛艇結(jié)構(gòu)水中振動(dòng)和輻射噪聲特性分析

后尾軸承橡膠硬度由低到高取如表2所示不同值，分別計(jì)算潛艇結(jié)構(gòu)在螺旋槳橫向力作用下振動(dòng)響應(yīng)，研究潛艇結(jié)構(gòu)輻射聲功率，濕表面均方法向速度的譜峰頻率、峰值變化規(guī)律，并且考察振動(dòng)與輻射噪聲之間的關(guān)系，以期為低輻射噪聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

潛艇結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，在螺旋槳重心施加1 N橫向脈動(dòng)激振力，如圖4所示，采用結(jié)構(gòu)有限元耦合流體邊界元法對(duì)潛艇結(jié)構(gòu)在水中的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的頻率范圍是10～800 Hz，頻率間隔是1 Hz。

4.1 結(jié)構(gòu)濕表面均方法向速度變化規(guī)律

在低頻段，后尾軸承橡膠硬度不同時(shí)，整艇濕表面均方法向速度的頻率曲線如圖10所示，第一、二個(gè)譜峰頻率和峰值如表4所示。

表4 潛艇結(jié)構(gòu)水中振動(dòng)響應(yīng)譜峰頻率和峰值

圖10 整艇水中濕表面的均方法向速度

根據(jù)表4和圖10可以看出，譜峰頻率、峰值變化有3個(gè)特點(diǎn)：

1) 譜峰頻率方面，第一、二個(gè)譜峰頻率均隨后尾軸承橡膠硬度增大而增大，且增大的速度變慢，當(dāng)硬度增大到一定值時(shí)，趨于不變。

由第一個(gè)特點(diǎn)可見，改變后尾軸承橡膠硬度能夠改變振動(dòng)響應(yīng)譜峰頻率。

2) 峰值方面，隨后尾軸承橡膠硬度增大，總體上看，第一、二峰值均呈增大的趨勢(shì)；在經(jīng)過第一個(gè)譜峰附近的窄頻帶之后，幾乎在整個(gè)計(jì)算頻段內(nèi)，后尾軸承橡膠硬度越小，振動(dòng)響應(yīng)越小，減振效果明顯。

3) 與傳統(tǒng)的船用后尾軸承(H7對(duì)應(yīng)的軸承)相比，采用帶橡膠夾層的后尾軸承能夠有效地降低潛艇結(jié)構(gòu)水中的振動(dòng)。

由第二、三個(gè)特點(diǎn)可見，減小后尾軸承橡膠硬度能夠減小結(jié)構(gòu)水中振動(dòng)。

4.2 水中結(jié)構(gòu)輻射聲功率變化規(guī)律

在低頻段，后尾軸承橡膠硬度不同時(shí)，整艇濕表面的輻射聲功率的頻率曲線如圖11所示，第一、二個(gè)譜峰頻率和峰值如表5所示。

表5 潛艇結(jié)構(gòu)水中輻射聲功率譜峰頻率和峰值

圖11 整艇結(jié)構(gòu)水中輻射聲功率

根據(jù)表5和圖11，可以看出譜峰頻率、峰值變化有3個(gè)特點(diǎn)：

1) 譜峰頻率方面，第一、二個(gè)譜峰頻率均隨后尾軸承橡膠硬度增大而增大，且增大的速度變慢，當(dāng)硬度增大到一定值時(shí)，趨于不變；

由第一個(gè)特點(diǎn)可見，改變后尾軸承橡膠硬度能夠改變輻射噪聲譜峰頻率。

2) 峰值方面，隨后尾軸承橡膠硬度增大，總體上看，第一、二峰值呈增大趨勢(shì)，硬度增大到一定值后趨于不變；在經(jīng)過第一個(gè)譜峰附近的窄頻帶之后，幾乎在整個(gè)計(jì)算頻段內(nèi)，后尾軸承橡膠硬度越小，輻射聲功率越小，降噪效果明顯。

3) 與傳統(tǒng)的船用后尾軸承(H7對(duì)應(yīng)的軸承)相比，采用帶橡膠夾層的后尾軸承能夠有效地降低潛艇結(jié)構(gòu)水中的輻射聲功率。

由第二、三個(gè)特點(diǎn)可見，減小后尾軸承橡膠硬度能夠降噪。

由表4～表5可見，在振動(dòng)響應(yīng)出現(xiàn)峰值的頻率點(diǎn)或頻率點(diǎn)附近，結(jié)構(gòu)輻射聲功率出現(xiàn)峰值，也就是說，當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)大時(shí)，輻射噪聲強(qiáng)，這一結(jié)論與文獻(xiàn)[8]的結(jié)論是類似的。

5 結(jié)論

與傳統(tǒng)的船用后尾軸承相比，采用帶橡膠夾層的后尾軸承，改變了艇體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞路徑的聲學(xué)特性，以小比例潛艇模型為研究對(duì)象，后尾軸承橡膠硬度取不同值，分別計(jì)算了艇體結(jié)構(gòu)振動(dòng)和輻射噪聲。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1) 與傳統(tǒng)的船用后尾軸承相比，采用帶橡膠夾層的后尾軸承能夠有效降低潛艇結(jié)構(gòu)振動(dòng)和輻射噪聲；

2) 通過改變后尾軸承橡膠硬度，能夠改變結(jié)構(gòu)振動(dòng)、輻射噪聲的譜峰頻率和峰值，當(dāng)橡膠硬度增大到一定程度，振動(dòng)和輻射噪聲的譜峰頻率和峰值趨于不變；

3) 在水中，當(dāng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)水平較高時(shí)，結(jié)構(gòu)輻射噪聲的能力較強(qiáng)；

4) 采用帶橡膠夾層的后尾軸承同樣能達(dá)到控制潛艇結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的目的，但不需要在軸系上另加設(shè)備，而且適用于各種軸系，更具普適性；

5) 在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要綜合考慮減振降噪、軸系校中等要求，選擇合適的后尾軸承橡膠硬度，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

[1] 金勇,劉正林.水潤(rùn)滑橡膠尾軸承動(dòng)態(tài)性能的試驗(yàn)與分析[J].噪聲與振動(dòng)控制,2011(2):64-68.

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[6] 陳明.橡膠軸承材料硬度對(duì)軸系振動(dòng)影響的試驗(yàn)研究[J].武漢造船,2000(3):8-10.

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(責(zé)任編輯 周江川)

Effect of the Rubber Material Hardness of Stern Bearing on Vibration and Sound Radiation Induced by Propeller Transversal Exciting Force from Submarine

LIU Wenxi, ZHOU Qidou

(Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

From the angle of controlling transfer path of exciting force, adopting the method of modifying the rubber material hardness of stern bearing near the propeller, the structural finite element method and the structural finite element coupled fluid boundary element method are adopted for the numerical calculation. The acoustic radiation power and mean square normal velocities of the wet surface are adopted as the main indexes to estimate the acoustic radiation ability from the subroutine structures, and the characteristics of the vibration and acoustic radiation from the whole structure are studied systemically. From the result, in the lower frequency band, the peak value frequencies shift to higher frequency with the increasing of the rubber material hardness of stern bearing, and when the rubber material hardness of stern bearing increases to a certain value, the peak value frequencies tends to be stable, and basically unchanged. With the increasing of the rubber material hardness of stern bearing, the first peak value and the second peak value increase. When the rubber material hardness of the stern bearing increases to a certain value, the peak value frequencies tends to be stable, and basically unchanged. And compare with the traditional stern bearing, the stern bearing using the rubber for sandwich can decreases the vibration and noise effectively. And if the rubber material hardness of the stern bearing is smaller, in the whole frequency band, except the narrowband near the first peak value frequency, the level of vibration and noise decreases obviously. By modifying the rubber material hardness of the stern bearing, the peak value frequencies shift to higher frequency or lower frequency, and so that the spectral peak frequencies of the exciting force of the machines and the spectral peak frequencies of the vibration and noise are separated. And as a result, the noise and vibration are controlled. By decreasing the rubber material hardness of the stern bearing, in some frequency band, the vibration and noise of the submarine is reduced.

stern bearing; rubber material hardness; vibration; acoustic radiation; spectral peak frequency; transfer path of vibration

10.11809/scbgxb2017.07.006

2017-03-25；

2017-04-10

劉文璽(1977—)，男，博士后，主要從事振動(dòng)與噪聲控制研究。

format:LIU Wenxi, ZHOU Qidou.Effect of the Rubber Material Hardness of Stern Bearing on Vibration and Sound Radiation Induced by Propeller Transversal Exciting Force from Submarine[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):25-30.

U664.21；E925.6

A

2096-2304(2017)07-0025-06

本文引用格式：劉文璽，周其斗.尾軸承橡膠硬度對(duì)螺旋槳橫向激振力引起艇體結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射特性的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(7):25-30.