浮筏筏體結構改進設計及隔振性能分析

李志遠，彭子龍，溫華兵，夏兆旺，吳俊杰

（江蘇科技大學 振動噪聲研究所，江蘇 鎮江212003）

船舶和艦艇在低速和中速航行時，影響其隱蔽性和探測能力的主要因素是機械設備運轉的輻射噪聲。振動通過支撐基座、管路系統等傳至船體，激勵船體振動并向水中輻射噪聲[1]。

在艦船艙室內，將兩臺或兩臺以上動力機械設備通過上層隔振器共同安裝在一個較大的中間質量（筏體）上，筏體再通過下層隔振器安裝在船體基座上，這就是浮筏隔振系統的基本構成。其中，浮筏隔振系統如圖1所示。

圖1 浮筏隔振系統示意圖

浮筏隔振裝置不僅可以有效利用船舶的空間和負載，而且其中間質量具有很大的機械阻抗，有利于提高隔振效果[2]。

以往的研究中，學者們對影響浮筏隔振系統隔振性能的隔振器剛度、阻尼參數和筏體、基座等參數進行了計算和分析，并得出了較為一致的結論，為以后的研究奠定了堅實的基礎[3]。文獻[4-8]通過多剛體動力學分析方法、有限元分析方法、阻抗綜合分析方法、四端參數法以及功率流分析等方法對浮筏隔振裝置進行了計算與分析。其中，有限元法雖然建模計算分析過程略微復雜，但由于其可對筏體和基座進行精確建模并實現剛體和彈性體的自由設置，大大提高了計算結果的準確性，是目前浮筏系統仿真計算中應用最為廣泛的一種方法[9]。使用有限元法計算時，可以對中間筏體進行準確性較高的模擬，通過調整筏體的結構形式對系統的隔振效果進行計算和分析。

以往的學者們對于浮筏筏體結構的研究較少，目前最新的進展是周期結構浮筏，其能夠在某一較小頻段取得理想的隔振效果[10]。但是，周期結構浮筏的筏體結構極其復雜，制造加工也存在較多問題，所以在工程實際中往往不予采用。針對當前對于筏體結構研究不足的現狀，基于理論研究和工程實際相結合的思想，對浮筏筏體結構進行改進設計并計算其隔振效果。

1 浮筏隔振系統有限元建模

本文研究的多擾動源浮筏隔振系統由某船用雙臺柴油發電機組、上層隔振器、下層隔振器、筏體和基座構成。由于某船特殊航行和工作條件，對其艙室內電力和動力機械設備的振動、沖擊和噪聲指標要求較高。在隔振設計中，首先要做到的是弄清被隔振機械設備的振動激勵特性。柴油發電機組的擾動力可以分為柴油機的擾動力和發電機的擾動力，考慮到在實際運轉過程中，作為往復機械的柴油機擾動力遠遠大于作為旋轉機械的發電機擾動力，與柴油機相比，發電機的擾動力可以忽略不計[11]。文中被隔振的柴油發電機組重量約4 500 kg，額定轉速1 500 r/min，柴油機是“V”型12 缸機，機組前3 階擾動力頻率分別為25 Hz、50 Hz和75 Hz。

原設計參數浮筏筏體三維模型見圖2，浮筏隔振系統有限元模型如圖3所示。

有限元建模的過程中，依據外形尺寸基本保持一致的原則，將柴油機簡化為一個長方體，飛輪和發電機簡化為兩個圓柱體，公共底座簡化為一個厚度與實際接近的長方體板。

圖2 原設計參數筏體三維模型

圖3 浮筏隔振系統有限元模型

根據調整柴油機、飛輪、發電機和公共底座的密度，使整個柴油發電機組的重心位置和整體轉動慣量與實際保持一致。為研究柴油發電機組經過浮筏隔振裝置后傳遞到基座的振動傳遞率，筏體和基座均需要按照實際尺寸精確建模。筏體由上面板、下面板和中間肋板構成。筏體寬度方向（橫向）長為3.2 m，長度方向（縱向）長為2.8 m，筏體內部橫向和縱向分別有4 條主肋板，上層隔振器安裝位置設置有橫向小肋板。由于柴油機油底殼的存在，筏體上面板兩側為下凹式結構，給柴油機油底殼留出充足安裝空間。筏體垂向高度為0.35 m，下凹部分垂向高度為0.18 m。為減輕筏體多余重量，筏體上面板和下面板均為開孔平板。筏體所有面板及肋板均采用厚度為20 mm的不銹鋼板。載荷和約束分別通過在柴油發電機組重心上方施加一個激振力和基座下板下方多點的固定約束模擬。上層采用WHG-600剪切壓縮型橡膠隔振器，下層采用SJD-1200抗沖擊型隔振器，相關力學參數見表1。

在有限元中，上層隔振器和下層隔振器均采用Bushing 單元模擬。上層隔振器和下層隔振器阻尼比均取0.08，其阻尼系數可按如下表達式進行計算

式中：m為隔振器工作時的負載質量，k為隔振器的動剛度，C為阻尼系數，ξ為阻尼比。

2 筏體改進設計及隔振性能分析

2.1 基于提高筏體整體剛度思想對筏體結構改進

筏體的抗扭剛度和抗彎剛度主要體現在筏體一扭、一彎和彎扭復合的模態固有頻率上。筏體的一扭、一彎和彎扭復合的模態固有頻率越高，表明筏體的整體抗扭剛度和抗彎剛度越好。為了進一步提升浮筏的隔振性能，避免共振發生，在保證總體尺寸和重量在一定范圍的情況下，不斷調整筏體結構，增加筏體的抗扭和抗彎剛度，使得增加的重量得到最有效利用。

表1 隔振器相關力學參數

這里采用的方案是在筏體兩側下凹部位增加兩條45°角的縱向斜板。斜板長度與筏體長度一致為2.8 m，寬度為0.24 m，厚度為20 mm。增加兩條斜板后，重量增加約為筏體總重的5%，改進前后筏體肋板結構前視圖如圖4所示。

圖4 普通和加斜板筏體肋板結構示意圖

通過改進筏體結構，提高了筏體一扭、一彎和彎扭復合的模態固有頻率，改進前后的筏體前3 階模態振型見表2。

對筏體改進前后的浮筏隔振系統進行諧響應分析，計算得到改進前后的浮筏系統振動傳遞率如圖5所示。

圖5 改進前后浮筏隔振性能對比

由圖5和表2可知，增加的2條縱向斜板即增加了筏體的抗扭和抗彎剛度，有效提升了筏體的一扭、一彎和彎扭復合的固有頻率。在100 Hz 以下頻段內，加斜板前后浮筏的振動傳遞率基本保持一致；在100 Hz～400 Hz 頻段范圍內，由于筏體前幾階模態固有頻率增加的影響，加斜板后共振峰值的對應頻率明顯提高；在400 Hz～1 000 Hz頻段范圍內，加斜板后系統大部分共振峰值明顯小于原浮筏系統。

2.2 基于結構不連續的阻波思想對筏體結構改進

改進筏體中部肋板結構，擬采用間斷肋筏體[12]。筏體四周使用完整長肋板，保證筏體整體具有較高的剛度。筏體中部主肋板進行打斷，橫向主肋板兩側打斷部分長度為0.45 m，縱向主肋板兩側打斷部分長度為0.18 m，在被打斷的兩側縱向主肋板中間部分設置長度為0.65 m 的橫向肋板形成交叉肋板。改進前后筏體肋板結構上視圖如圖6所示。

圖6 普通和間斷肋筏體肋板結構示意圖

改進前后筏體重量差小于總重的3%，因此，重量方面改變引起系統隔振效果的變化可以忽略不計。對2種筏體自由模態進行計算，表3給出部分計算結果。

其中間斷肋式筏體比普通筏體在600 Hz～1 000 Hz頻段范圍內多出2階模態，其模態振型圖見圖7。

同時對2 種浮筏隔振系統進行振動傳遞率計算，得到系統振動傳遞率對比見圖8。

從圖8中可以看出，在0～360 Hz頻段范圍內，2種浮筏系統的振動傳遞率幾乎保持一致；在360 Hz～600 Hz 頻段范圍內，2 種浮筏振動傳遞率各有高低，考慮其原因是兩種筏體的模態各有不同導致的。在600 Hz～1 000 Hz 頻段范圍內，間斷肋浮筏隔振效果明顯好于普通浮筏。

表2 改進前后筏體自由和負載狀態下主要模態振型及固有頻率

圖7 改進筏體多出的兩階模態振型

圖8 改進前后浮筏隔振性能對比

由表3可知，在600 Hz～1 000 Hz 頻段范圍內，間斷肋筏體多出了兩階模態。由于筏體主肋板的間斷，間斷肋筏體出現了更多的模態使其振動能量較為分散，同時間斷肋筏體在中高頻段模態包括較多的扭轉，浮筏振動傳遞率降低。并且，中高頻振動波與低頻振動波相比其波長較短，在間斷肋筏體中傳播時更容易發生反射和衰減，從而消耗掉更多的能量。

2.3 基于局域共振阻振質量的思想對筏體結構改進

基于提高筏體局部剛度和阻振質量[13]的思想，在筏體主肋板四周即隔振器安裝位置加肋板，肋板長度為0.25 m，高度和其它肋板高度一致為0.31 m，厚度為20 mm，改進前后筏體肋板結構上視圖如圖9所示。

增加的肋板使得筏體局部剛度有所增加，并且也起到了一定的阻振質量的作用。增加的肋板質量約為筏體重量總重量的5%，重量方面改變引起系統隔振效果的變化可以忽略不計。其中圖10為改進筏體的部分模態振型圖，同時對系統進行諧響應分析求得改進前后系統振動傳遞率如圖11所示。

圖9 普通和加小肋板筏體肋板結構示意圖

圖10 改進筏體部分模態振型

圖11 改進前后浮筏隔振性能對比

由圖11可知，在200 Hz 以下頻段內，加肋板浮筏比普通浮筏多出了幾個共振峰。其中，在13 Hz和110 Hz處的共振峰使得振動產生了一定放大。在200 Hz～1 000 Hz 頻段范圍內，加肋板后的浮筏共振峰明顯多于普通浮筏，且隔振效果明顯好于普通浮筏約30 dB。肋板的增多使得筏體在中高頻的模態數增加，局域共振增加，振動波在筏體中的反射增加，振動波衰減增大。同時，增加的肋板也起到了一定的阻振質量的作用，更好地降低系統的振動傳遞率。

將原設計筏體和3種改進方案的振動傳遞率計算結果進行分析，取倍頻程下5個主要頻率點，其分別為63 Hz、125 Hz、250 Hz、500 Hz 和1 kHz。繪制出4 種方案在5 個主要頻率點下的振動傳遞率如圖12所示。

加斜板浮筏在前3個低頻率點和原浮筏振動傳遞率相差不大，在后2 個高頻率點隔振效果略好于原浮筏；間斷肋浮筏在500 Hz 時隔振效果變差，在1 kHz 時隔振效果明顯好于原浮筏；加肋板浮筏在125 Hz 時隔振效果變差，但在后3 個高頻率點處隔振效果提升明顯。

表3 兩種筏體部分模態固有頻率

圖12 倍頻程下4種方案隔振效果

3 結語

本文通過建立2臺柴油發電機組浮筏隔振裝置的有限元模型，基于筏體改進的基本思想提出了3種筏體的主要結構改進方式，分別探討了每種改進方式下的系統隔振性能，得到的主要結論如下：

基于提高筏體抗扭和抗彎剛度改進思想，提出在筏體易彎曲位置加斜板，提升筏體抗扭和抗彎剛度會使筏體前幾階模態固有頻率提高，中高頻段共振峰值降低，整體隔振效果提升；基于結構不連續的阻波思想，改進設計了間斷肋浮筏并計算了其隔振性能，結果表明低頻段與普通浮筏隔振效果保持一致，中高頻段隔振效果良好；基于局域共振和阻振質量思想，提出在隔振器位置加肋板，相較于普通浮筏其在中高頻段隔振效果提升明顯。