復(fù)合材料基座在船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞控制中的應(yīng)用

牟文珺，桂洪斌

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）船舶與海洋工程學(xué)院，山東 威海 264209)

0 引 言

設(shè)備是船舶的主要振動(dòng)噪聲源，對(duì)其振動(dòng)噪聲的有效抑制在船舶舒適性以及艦艇安靜性方面具有重要意義。基座結(jié)構(gòu)是設(shè)備振動(dòng)傳遞到船體的主要途徑，為了降低設(shè)備的振動(dòng)傳遞，目前主要是通過在設(shè)備與基座之間安裝隔振系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

隨著對(duì)船舶舒適性和安靜性要求的提高，迫切需要更有效的隔振措施。由于阻尼抑制振動(dòng)的有效作用以及復(fù)合材料學(xué)科研究的發(fā)展與深入，采用由具有高阻尼性能并且可以獨(dú)立作為結(jié)構(gòu)材料的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)成的復(fù)合材料基座替代低阻尼的傳統(tǒng)鋼質(zhì)基座成為了增加設(shè)備隔振效果的一種選擇。

為了研究出具有優(yōu)良減振性能的復(fù)合材料基座，首先要掌握復(fù)合材料的阻尼及振動(dòng)特性，其次基座結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，將復(fù)合材料應(yīng)用于船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞抑制需要綜合性的研究分析。

本文首先對(duì)當(dāng)前設(shè)備振動(dòng)傳遞控制方法、復(fù)合材料的減振性能以及復(fù)合材料基座的應(yīng)用進(jìn)行綜述，然后通過具體算例分析復(fù)合材料基座的減振效果。

1 船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞控制措施

實(shí)船上使用的設(shè)備振動(dòng)傳遞控制方式主要為隔振，主要包括單層隔振，雙層隔振和浮筏隔振。

1.1 單、雙層隔振系統(tǒng)

單層隔振系統(tǒng)是把機(jī)械設(shè)備通過一層隔振器連接到基座上，利用隔振器本身的剛度和阻尼來對(duì)振動(dòng)的傳遞進(jìn)行隔離。單層隔振系統(tǒng)振動(dòng)的傳遞率以1/ω2衰減[1]，一般認(rèn)為單層隔振系統(tǒng)可以達(dá)到20 dB大小的隔振效果。

簡單隔振裝置的動(dòng)力學(xué)模型建立于20世紀(jì)40年代[2]。Sanderson[3]預(yù)測了兩物體之間單層隔振器的6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，得到了可用于計(jì)算激振力的傳遞公式。在單層隔振的分析方法方面，伍先俊等[4]證明統(tǒng)計(jì)能量法相較于導(dǎo)納功率流能好的描述單層隔振器剛度和阻尼大小對(duì)功率流傳遞的影響。

但是單層隔振器存在剛度較低且高頻隔振效果較差的缺點(diǎn)，因此在單層隔振系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在2層隔振器之間插入中間質(zhì)量，發(fā)展出雙層隔振系統(tǒng)，如圖1所示。雙層隔振系統(tǒng)可改善單層隔振剛度較差的缺點(diǎn)且具有更好的隔振效果，其振動(dòng)傳遞率以1/ω4衰減，在低頻區(qū)可降低振動(dòng)傳遞不少于35 dB, 高頻區(qū)可達(dá)50 dB[5]。

圖 1 雙層隔振系統(tǒng)Fig. 1 Double-layer vibration isolation system

針對(duì)雙層隔振系統(tǒng)的分析，沈榮瀛等[6]通過傳遞函數(shù)曲線得雙層隔振系統(tǒng)各動(dòng)態(tài)參數(shù)的選擇方法，并將隨機(jī)激振試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相對(duì)比，得出雙層隔振系統(tǒng)較單層隔振系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。楊義順等[7]利用有限元法分析雙層隔振系統(tǒng)中質(zhì)量比、彈性模量等參數(shù)的改變對(duì)船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞的影響, 并將數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。肖斌等[8]基于功率流法并結(jié)合系統(tǒng)隔振試驗(yàn)及模態(tài)試驗(yàn)研究雙層隔振系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞，通過系統(tǒng)主導(dǎo)模態(tài)、耦合和阻尼等耗散特征以及初級(jí)激擾力特征提高雙層隔振系統(tǒng)隔振性能。

1.2 浮筏隔振系統(tǒng)

為解決雙層隔振系統(tǒng)中間質(zhì)量過重帶來的缺點(diǎn)，產(chǎn)生了浮筏隔振系統(tǒng)，即多臺(tái)設(shè)備可共用一個(gè)中間質(zhì)量（筏架），如圖2所示。以振級(jí)落差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，浮筏隔振系統(tǒng)可獲得40 dB以上的隔振效果[5]，但目前較明顯的局限性是需要較大的安裝空間。

圖 2 浮筏隔振系統(tǒng)Fig. 2 Floating raft isolation system

針對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)的性能，張樹楨等[9]利用功率流作為浮筏隔振系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，就筏架和基座的柔性變形、負(fù)載質(zhì)量、隔振器剛度和阻尼以及筏架和基座損耗因子對(duì)隔振效果的影響進(jìn)行了理論與數(shù)值分析。黃其柏等[10]以振級(jí)落差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用有限元分析法研究了2種筏體結(jié)構(gòu)的浮筏隔振系統(tǒng)的隔振效果, 并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。許樹浩等[11]比較了加速度響應(yīng)與功率流響應(yīng)2種評(píng)價(jià)指標(biāo)反應(yīng)隔振系統(tǒng)隔振效果的優(yōu)劣，結(jié)果表明功率流法會(huì)優(yōu)于加速度響應(yīng)做為評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系。吳剛等[12]利用有限元法和綜合數(shù)值法設(shè)計(jì)浮筏隔振系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行模擬研究，證明較小的隔振器剛度和較大的中間筏體質(zhì)量能有效改善系統(tǒng)低頻隔振特性。Li等[13]使用解析法及功率流法分析了由約束阻尼梁構(gòu)成的浮筏隔振系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，證明浮筏隔離系統(tǒng)可以提供更高的隔振效果。

1.3 基座結(jié)構(gòu)及分布對(duì)振動(dòng)傳遞的影響

基座作為設(shè)備振動(dòng)傳遞到船體的主要路徑，是控制設(shè)備振動(dòng)傳遞的重要環(huán)節(jié)。

Wen等[14]設(shè)計(jì)了內(nèi)有4個(gè)設(shè)備支撐基座的環(huán)肋圓柱殼模型，研究了內(nèi)部基座的結(jié)構(gòu)形式和布局定位對(duì)環(huán)肋圓柱殼振動(dòng)傳播特性的影響。申華等[15]設(shè)計(jì)了3種形式的基座，采用有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，以振級(jí)落差為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究了動(dòng)力艙段殼體的振動(dòng)模態(tài)和由基座至殼體的振動(dòng)傳遞特性，證明了基座剛度越大，其抑制設(shè)備振動(dòng)傳遞的效果越好；張彤彤等[16]以振級(jí)落差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了基座結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)基座阻抗及艇體振動(dòng)的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明增大面板厚度及偏置腹板可以提高基座結(jié)構(gòu)輸入機(jī)械阻抗，降低艇體振動(dòng)響應(yīng)；王國治等[17]使用有限元/邊界元法研究基座結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，證明了基座面板厚度、粘貼阻尼層及減震器剛度對(duì)設(shè)備振動(dòng)傳遞性能有明顯的影響。鄭律等[18]使用波動(dòng)分析法分析了設(shè)備振動(dòng)在雙層殼中的傳遞特性，采用有限元與邊界元結(jié)合法分析基座結(jié)構(gòu)連接處阻抗失配對(duì)基座的減振性能的影響，證明可通過對(duì)振動(dòng)波的分流提高基座減振降噪效果。

基座作為設(shè)備振動(dòng)傳遞到船體的最直接路徑，可以更改基座結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)提升基座的減振性能，其中增加面板厚度，提高輸入機(jī)械阻抗的效果最為明顯，但增加面板厚度必定以增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量為代價(jià)，不符合船舶輕量化的設(shè)計(jì)要求。為更好地控制船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞，使用質(zhì)量輕且具有高阻尼特性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料替代原有的鋼質(zhì)基座結(jié)構(gòu)是一種值得研究的手段。

2 復(fù)合材料阻尼及減振效果

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由增強(qiáng)纖維和基體組成，相較于金屬，復(fù)合材料普遍具有高阻尼特性。復(fù)合材料對(duì)振動(dòng)的控制主要通過阻尼耗散實(shí)現(xiàn)，復(fù)合材料的阻尼主要來源于聚合物基體的粘彈性，其次是纖維與基體相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的耗散[19]。

Adams和Bacon[20]對(duì)纖維方向和層壓板幾何特性對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲和扭轉(zhuǎn)阻尼和模量的影響進(jìn)行了理論預(yù)測，并與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，后人稱之提出的理論為Adams-Bacon方法。該方法提出了正交各向異性層合板比阻尼能力的概念，其中為總耗散能，U為總應(yīng)變能； Adams和Maheri[21]利用單向復(fù)合材料的基本彈性關(guān)系, 結(jié)合Adams-Bacon阻尼準(zhǔn)則,對(duì)各向異性碳纖維布和玻璃鋼梁的阻尼進(jìn)行了預(yù)測，證明復(fù)合材料動(dòng)態(tài)性能與阻尼的變化有關(guān)；Hadj Youzera等[22]研究了3層對(duì)稱層合梁的阻尼和非線性受迫振動(dòng)，基于諧波平衡法和Galerkin方法，建立標(biāo)量復(fù)數(shù)非線性幅頻關(guān)系，針對(duì)各種幾何和材料特性得出頻率響應(yīng)曲線。

復(fù)合材料的鋪層方向是定義復(fù)合材料整體特性的基礎(chǔ)，合理的鋪層角度可實(shí)現(xiàn)材料阻尼的最大化[20]，從而體現(xiàn)復(fù)合材料的減振效果。Jeong等[23]在配備有光纖振動(dòng)計(jì)的真空室和電磁錘的條件下進(jìn)行高強(qiáng)度對(duì)稱層壓碳纖維環(huán)氧復(fù)合薄梁的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，獲得了鋪層角度與阻尼比的關(guān)系。Calim[24]研究了復(fù)合材料梁的自由與強(qiáng)迫振動(dòng)，用互補(bǔ)函數(shù)方法進(jìn)行數(shù)值求解，精確計(jì)算復(fù)合材料梁的動(dòng)態(tài)剛度矩陣，研究了非均勻性參數(shù)和纖維取向角對(duì)梁振動(dòng)響應(yīng)的影響。

3 復(fù)合材料基座在船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞控制中的應(yīng)用

復(fù)合材料在船舶上已應(yīng)用于上層建筑，螺旋槳，先進(jìn)桅桿系統(tǒng)等，但復(fù)合材料基座僅處于探索研究階段，并未有實(shí)船應(yīng)用實(shí)例[25]。

趙樹磊等[26]在實(shí)驗(yàn)中對(duì)比了金屬材料基座和復(fù)合材料基座的振動(dòng)傳遞性能，證明復(fù)合材料基座具有良好減振效果。郎彥[27]使用有限元法結(jié)合導(dǎo)納法對(duì)同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料基座和鋼基座的隔振系統(tǒng)振動(dòng)特性進(jìn)行比較。任賀厲[28]使用導(dǎo)納能量流理論，通過有限元方法比較了含單層隔振系統(tǒng)的鋼質(zhì)基座及復(fù)合材料基座的減振動(dòng)效果。楊德慶等[29]以功率流與振級(jí)落差為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)復(fù)合材料基座進(jìn)行減振效果評(píng)估，以鋼板厚度、復(fù)合材料鋪層數(shù)和鋪層角度為優(yōu)化變量，采用多島遺傳算法進(jìn)行求解，比較振源及肘板處替換復(fù)合材料的基座與鋼質(zhì)基座減振效果。張永勝等[30]以均方加速度響應(yīng)及基座輸入阻抗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，為某平臺(tái)設(shè)計(jì)減振方案并進(jìn)行數(shù)值仿真。李國亮[31]以功率流為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合有限元法研究了材料剛度、阻尼及鋪層參數(shù)對(duì)基座減振效果的影響；通過激振試驗(yàn)，探究了碳纖維基座對(duì)隔振試驗(yàn)平臺(tái)固有振動(dòng)特性的影響并與鋼質(zhì)基座減振效果對(duì)比，證明碳纖維基座可有效減少激振力傳遞。

3.1 復(fù)合材料使用位置的計(jì)算分析

為數(shù)值分析復(fù)合材料基座的減振效果，在Abaqu內(nèi)建立如表1和表2所示的船體基座結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。采用自由分網(wǎng)劃分技術(shù)，設(shè)置近似全局尺寸為50，以S4R四節(jié)點(diǎn)曲殼單元模擬船體基座結(jié)構(gòu)，使用模態(tài)疊加法進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，以均方加速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)估在肘板、腹板位置使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基座對(duì)船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞的控制效果，并比較在不同基體、不同鋪層參數(shù)下復(fù)合材料基座的減振能力。

在面板施加單位正弦載荷以模擬設(shè)備在0～500 Hz中低頻范圍內(nèi)由基座傳入的激振力，激振力通過基座傳遞到船舶殼體，在船體N201，N275，N4681，N8281四點(diǎn)處輸出加速度響應(yīng)傳遞函數(shù)，取均方響應(yīng)平均值，如圖4所示。

表 1 船體結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 1 Structural parameters of module

表 2 基座結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 2 Structural parameters of pedestal

圖 3 基座-船體結(jié)構(gòu)模型Fig. 3 Pedestal - Hull structure model

圖 4 加速度響應(yīng)點(diǎn)Fig. 4 Acceleration response point

為適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的輸入阻抗，并滿足實(shí)際應(yīng)用中面板需要打孔固定設(shè)備的要求，基座面板均使用鋼板。依次分析將基座肘板、腹板以及肘板腹板均替換為MT300/603復(fù)合材料時(shí)基座控制振動(dòng)傳遞的效果，鋪層方式采用[0]80，相關(guān)材料屬性參考文獻(xiàn)[32]。

無論何位置替換為復(fù)合材料的基座均可明顯降低鋼質(zhì)基座的共振峰值，最大可有效降低80%的加速度響應(yīng)，如圖5所示。同時(shí)替換兩板在大多數(shù)頻段內(nèi)放大了船體振動(dòng)響應(yīng)；在200～300 Hz頻段內(nèi)腹板替換為復(fù)合材料的基座響應(yīng)較小；在300～500 Hz頻段內(nèi)肘板替換為復(fù)合材料的基座響應(yīng)較小，如圖6所示。因此肘板為復(fù)合材料的基座可在較廣的頻段內(nèi)產(chǎn)生更佳的減振效果，說明改變肘板材料對(duì)基座減振性能影響最大，即在基座肘板處使用復(fù)合材料可以更好的控制設(shè)備振動(dòng)傳遞。

圖 5 復(fù)合材料與鋼質(zhì)基座響應(yīng)對(duì)比Fig. 5 Comparison of response between composite materials and steel pedestal

3.2 復(fù)合材料基體及鋪層角度的計(jì)算分析

使用同纖維不同樹脂基體的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料MT300/603及MT300/603A替換基座鋼質(zhì)肘板，鋪層方式采用[0]80。如圖7所示，2種基座輸出的加速度響應(yīng)具有一定差別，在峰值處最大相差50%，證明復(fù)合材料基體性質(zhì)對(duì)基座減振效果具有較大影響。

圖 6 三種復(fù)合材料基座響應(yīng)對(duì)比Fig. 6 Comparison of three composite pedestals responses

圖 7 不同基體的復(fù)合材料肘板減振效果對(duì)比Fig. 7 Comparison of damping effect of composite brackets with different substrates

最后驗(yàn)證不同鋪層角度對(duì)復(fù)合材料基座減振性能的影響，肘板替換MT300/603A，分別采用[0]80，[45/–45/0/90]20s，[0/90/–45/45]20s三種鋪層方式，如圖8所示。第2種鋪層方式在頻段內(nèi)可有效降低加速度響應(yīng)，較減振效果最弱的第1種鋪層方式最高可降低42%的船體振動(dòng)響應(yīng)，因此鋪層角度的改變對(duì)基座減振能力有著明顯的影響。

圖 8 三種鋪層角度的復(fù)合材料基座減振效果Fig. 8 Damping effect of composite pedestal with 3 ply-angles

4 結(jié) 語

本文對(duì)復(fù)合材料基座在船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹和總結(jié)，并通過算例分析驗(yàn)證了復(fù)合材料基座的應(yīng)用效果。由總結(jié)和分析可見：

1）復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)金屬材料有較高阻尼，在保證材料強(qiáng)度的前提下采用復(fù)合材料更有益于振動(dòng)控制；

2）復(fù)合材料基座相較于鋼質(zhì)基座具有更好的抑制船舶設(shè)備振動(dòng)傳遞的效果，復(fù)合材料的使用位置、基體屬性及纖維鋪層角度均會(huì)影響基座的減振效果；現(xiàn)無多種復(fù)合材料的減振效果對(duì)比研究，復(fù)合材料基座研究領(lǐng)域仍有較大空白，需要進(jìn)行更深入的研究。

3）隔振系統(tǒng)與復(fù)合材料基座減振相結(jié)合，理論上可以更加高效的實(shí)現(xiàn)設(shè)備振動(dòng)傳遞的抑制，這應(yīng)是未來設(shè)備振動(dòng)控制的研究方向之一。