艇體結(jié)構(gòu)分布式動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)與分析

劉 哲，吳 帥，李 廣

(中國船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

動(dòng)力吸振器是一種有效的低頻振動(dòng)噪聲控制技術(shù)，由于結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、減振效果顯著，已被廣泛應(yīng)用于建筑、汽車以及船舶等工程領(lǐng)域。在汽車NVH領(lǐng)域，動(dòng)力吸振器被安裝在轉(zhuǎn)向盤[1]、動(dòng)力總成部件[2]以及懸置系統(tǒng)[3]等部位，成功解決了車內(nèi)低頻轟鳴聲等一系列由于結(jié)構(gòu)共振引起的振動(dòng)噪聲問題。

船體結(jié)構(gòu)共振有時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重的低頻線譜噪聲，具有攜帶能量高、傳播距離遠(yuǎn)、難以有效隔離等特點(diǎn)，為此大量的學(xué)者對(duì)動(dòng)力吸振器的應(yīng)用進(jìn)行了研究。Goodwin[4]首先分析了使用動(dòng)力吸振器解決推進(jìn)軸系縱振問題的可行性，Dylejko[5]研究了串聯(lián)安裝在推力軸承和基座之間的動(dòng)力吸振器的降噪效果，楊志榮等[6]提出一種并聯(lián)安裝在推進(jìn)軸系上的動(dòng)力吸振器，可用來減小軸系的彎曲振動(dòng)和縱向振動(dòng)。在管路低頻線譜噪聲控制方面，Lenz等[7]采用互相垂直的兩組彈簧設(shè)計(jì)了一種三向動(dòng)力吸振器，王文初等[8]設(shè)計(jì)了一種新型懸臂梁式的三向管路動(dòng)力吸結(jié)構(gòu)，并建立了有效的設(shè)計(jì)和分析方法。李俊等[9]采用有限元法分析了采用動(dòng)力吸振器減小船體艉部振動(dòng)的有效性，計(jì)算中船體結(jié)構(gòu)被簡化為一維梁結(jié)構(gòu)。為簡化分析，安裝在設(shè)備上的動(dòng)力吸振器通常把設(shè)備視為單自由度系統(tǒng)。針對(duì)軸系、管路和船體梁設(shè)計(jì)的動(dòng)力吸振器，主系統(tǒng)也是較為簡單的一維結(jié)構(gòu)。由于主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，研究重點(diǎn)均在于動(dòng)力吸振器的減振效果，較少分析吸振質(zhì)量與主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間相互作用。

本文以某艇體耐壓殼結(jié)構(gòu)為對(duì)象，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)低頻模態(tài)頻率和振型進(jìn)行了吸振方案設(shè)計(jì)，考慮到結(jié)構(gòu)振型、吸振器的質(zhì)量和安裝位置等因素，動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)成離散分布式結(jié)構(gòu)。然后建立了艇體結(jié)構(gòu)流固耦合模型，以水下噪聲為目標(biāo)計(jì)算了分布式動(dòng)力吸振器的吸振效果，并分析了吸振質(zhì)量和工作頻率的影響規(guī)律，以及安裝在連續(xù)結(jié)構(gòu)上的吸振質(zhì)量的減振機(jī)理。

1 動(dòng)力吸振器工作原理

動(dòng)力吸振器的工作原理是在主系統(tǒng)中增加一個(gè)輔助系統(tǒng)，利用多自由度系統(tǒng)的反共振特性，將振動(dòng)能量從主系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到輔助系統(tǒng)中，從而達(dá)到主系統(tǒng)減振的目的。動(dòng)力吸振器一般只適用于激振頻率比較穩(wěn)定的情況。按阻尼的影響，可以將動(dòng)力吸振器分為無阻尼的動(dòng)力吸振器和有阻尼的動(dòng)力吸振器。按動(dòng)力吸振器的布置數(shù)量，可分為集中式動(dòng)力吸振器和分布式動(dòng)力吸振器。

無阻尼的動(dòng)力吸振器是一種單頻窄帶吸振器，當(dāng)激勵(lì)頻率與主系統(tǒng)的固有頻率吻合時(shí)，主系統(tǒng)的共振振幅可以完全消除，當(dāng)激勵(lì)頻率發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)力吸振器就失去了作用。增加輔助系統(tǒng)之后，新系統(tǒng)會(huì)在主系統(tǒng)原固有頻率的兩側(cè)出現(xiàn)2個(gè)新的共振頻率。為了讓新系統(tǒng)的固有頻率分開一定的距離，使動(dòng)力吸振器具有一定的工作頻率范圍，需要輔助系統(tǒng)與主系統(tǒng)的質(zhì)量比 μ達(dá)到一定的要求，從而避免系統(tǒng)產(chǎn)生新的共振。

有阻尼的動(dòng)力吸振器在輔助系統(tǒng)中增加了一定的阻尼，可改善動(dòng)力吸振器的減振性能。通過選擇適當(dāng)?shù)淖枘岜圈坪驼{(diào)諧頻率比S，能夠使主系統(tǒng)在較寬的頻帶上均能保持較小的振幅。當(dāng)動(dòng)力吸振器選用最佳參數(shù)時(shí)，如果主系統(tǒng)為單自由度系統(tǒng)，動(dòng)力吸振器的有效使用頻帶是不受限制的，因此屬于寬帶吸振器。根據(jù)調(diào)諧頻率比S的值，可以分為最佳調(diào)諧（S =1/(1+μ)）、等頻率調(diào)諧（S=1）和蘭契司特調(diào)諧（S=0）等，按照阻尼特性可以分為粘性阻尼和庫侖阻尼等，其中最為常用的是最佳調(diào)諧粘性阻尼吸振器，其主系統(tǒng)的位移共振曲線如圖1所示。

動(dòng)力吸振器的安裝位置會(huì)直接影響其減振效果。如果能將動(dòng)力吸振器安裝在設(shè)備上，應(yīng)將動(dòng)力吸振器安裝在設(shè)備或機(jī)座振動(dòng)最大的部位，可以直接消減設(shè)備的激勵(lì)力。如果無法安裝在設(shè)備上，可將動(dòng)力吸振器分解為多個(gè)小動(dòng)力吸振器，布置在設(shè)備周圍振動(dòng)最強(qiáng)烈的部位。當(dāng)主系統(tǒng)是多自由度系統(tǒng)時(shí)，動(dòng)力吸振器不能安裝在主系統(tǒng)的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)上，為提高減振效果，應(yīng)安裝在激振力作用點(diǎn)附近或者振幅最大的位置[10]。

圖 1 主系統(tǒng)最佳共振曲線Fig. 1 Optimum resonance curve of main system

2 艇體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

以某艇耐壓殼結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，基于Abaqus軟件建立流固耦合數(shù)值分析模型。艇體結(jié)構(gòu)采用鈦合金材料，中間段為加肋圓柱殼結(jié)構(gòu)，兩端為球形封頭，共分為3個(gè)艙，殼體直徑為5.8 m，總長度為37.8 m，總重量為249.3 t。殼體和肋骨結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行離散，艙壁上的加強(qiáng)筋用梁單元模擬，單元尺寸為0.2 m。在艇體外部設(shè)置橢球形水域，水域通過三維聲單元進(jìn)行離散，在結(jié)構(gòu)接觸面設(shè)置流固耦合邊界，在水域外表面設(shè)置聲學(xué)無限元來模擬無限大外部聲場(chǎng)。模型單元總數(shù)約為29.9萬，如圖2所示。

圖 2 流固耦合計(jì)算模型Fig. 2 Fluid-solid coupling model

通過模態(tài)分析得到艇體結(jié)構(gòu)的低階固有頻率和振型，如表1和圖3所示，圖中僅列出了其中的2階濕模態(tài)振型。

3 分布式動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)

在艇體尾部施加垂向單位力來模擬推進(jìn)系統(tǒng)的作用力，通過提取遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓計(jì)算結(jié)果可折算得到1 m處的輻射噪聲聲功率級(jí)（參考值0.67×10-18W），如圖5所示。可知，垂向激勵(lì)引起的前3條輻射噪聲線譜頻率分別為11.5 Hz，20.2 Hz和26.2 Hz，分別對(duì)應(yīng)于1階彎曲振型、尾部塌陷振型和2階彎曲振型，其中尾部局部振型引起的線譜噪聲最大。

表 1 艇體結(jié)構(gòu)濕模態(tài)分析結(jié)果Tab. 1 Wet modal analysis result of the hull structure

圖 3 艇體結(jié)構(gòu)濕模態(tài)振型Fig. 3 Wet modal shapes of the hull structure

圖 4 1 000 m處聲壓分布Fig. 4 Sound pressure distribution at 1 000 m

針對(duì)11.5 Hz線譜，根據(jù)模態(tài)振型分別在相對(duì)位移較大的尾部、中部和首部設(shè)置3組動(dòng)力吸振器，主要考慮固體壓載，每組12個(gè)共840 kg，布置在艇體底部1.5 m×1.5 m的區(qū)域內(nèi)，如圖6所示。

圖 5 水下輻射聲功率Fig. 5 Underwater radiated sound power

針對(duì)20.2 Hz線譜，根據(jù)模態(tài)振型在尾部塌陷的區(qū)域設(shè)置了35個(gè)動(dòng)力吸振器，單個(gè)吸振器重量32 kg，分布在9個(gè)肋位，如圖7所示。動(dòng)力吸振器均按最優(yōu)調(diào)諧頻率比設(shè)計(jì)，主系統(tǒng)的質(zhì)量根據(jù)振型按變形結(jié)構(gòu)的干重計(jì)算，臨界阻尼比取0.1，動(dòng)力吸振器具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

圖 7 針對(duì)20.2 Hz線譜設(shè)置的動(dòng)力吸振器Fig. 7 DVAs for 20.2 Hz

表 2 動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 2 Design parameters of DVAs

4 吸振效果分析與討論

4.1 吸振效果分析

圖 8 輻射聲功率對(duì)比Fig. 8 Radiated sound power comparison

在尾部垂向單位力作用下，艇體結(jié)構(gòu)的水下輻射聲功率曲線見圖8。對(duì)比安裝動(dòng)力吸振器前后的計(jì)算結(jié)果可以看出，安裝動(dòng)力吸振器之后目標(biāo)線譜均得到了有效的控制，11.5 Hz噪聲線譜峰值下降8.8 dB，20 Hz噪聲線譜峰值下降11.4 dB，且在控制頻率附近也沒有出現(xiàn)新的線譜。

根據(jù)安裝動(dòng)力吸振器之后的固有頻率計(jì)算結(jié)果可知，在11.5 Hz和20.2 Hz附近均出現(xiàn)了新的固有頻率，但是沒有像單自由度系統(tǒng)那樣使水下噪聲出現(xiàn)新的共振峰，這是因?yàn)橥w結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度較大，吸振質(zhì)量對(duì)艇體結(jié)構(gòu)的影響較小，產(chǎn)生的新模態(tài)不能有效地輻射噪聲。

4.2 吸振質(zhì)量的影響

與單自由度系統(tǒng)不同，安裝在連續(xù)結(jié)構(gòu)上的動(dòng)力吸振器，其主系統(tǒng)的質(zhì)量與結(jié)構(gòu)模態(tài)有關(guān)，由于模態(tài)向量可以任意縮放，所以對(duì)連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)時(shí)，吸振質(zhì)量通常需要通過計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)于前文設(shè)計(jì)的動(dòng)力吸振器，主系統(tǒng)的質(zhì)量采用的是與振型相關(guān)的結(jié)構(gòu)干重，比如對(duì)于1階彎曲振型，主質(zhì)量取的是艇體結(jié)構(gòu)總的干重249.3 t。從計(jì)算結(jié)果來看，質(zhì)量比取1%時(shí)已經(jīng)取得了較好的減振效果。以針對(duì)11.5 Hz設(shè)計(jì)的動(dòng)力吸振器為例，分別將每組吸振質(zhì)量設(shè)置為4 200 kg，2 520 kg，840 kg和168 kg，質(zhì)量比分別對(duì)應(yīng)5%，3%，1%和0.2%，工作頻率不變，比較不同質(zhì)量比對(duì)吸振效果的影響，結(jié)果如圖9所示。

圖 9 不同吸振質(zhì)量的影響Fig. 9 Effect of different vibration absorbing masses

從計(jì)算結(jié)果來看，吸振質(zhì)量越大，吸振效果越好，與主系統(tǒng)是單自由度系統(tǒng)時(shí)的規(guī)律一致。對(duì)于11.5 Hz線譜噪聲，動(dòng)力吸振器質(zhì)量比取0.2%時(shí)效果不明顯；取1%和3%時(shí)效果相當(dāng)，降噪效果為8.8 dB；取5%時(shí)，降噪效果為14.6 dB，此時(shí)在11.5 Hz兩側(cè)已能觀察到新的共振點(diǎn)。因此，在連續(xù)結(jié)構(gòu)上安裝動(dòng)力吸振器時(shí)，也應(yīng)注意避免新產(chǎn)生的固有頻率與激勵(lì)頻率吻合的情況。

4.3 工作頻率的影響

前文的動(dòng)力吸振器工作頻率都是針對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)的，僅考慮了結(jié)構(gòu)共振引起的線譜噪聲，實(shí)際上除了結(jié)構(gòu)共振之外，噪聲線譜還有可能來源于激勵(lì)力。比如，螺旋槳的激勵(lì)力在1階葉頻處具有較強(qiáng)的線譜，即使與結(jié)構(gòu)固有頻率不重合，也會(huì)在1階葉頻處出現(xiàn)明顯的線譜噪聲。

為分析安裝在連續(xù)結(jié)構(gòu)上的動(dòng)力吸振器對(duì)于來自激勵(lì)源的線譜的吸振效果，將針對(duì)11.5 Hz的動(dòng)力吸振器的工作頻率調(diào)整為15.8 Hz，仍然按照最優(yōu)調(diào)諧頻率設(shè)計(jì)，安裝位置不變。根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果可知，吸振器的自振頻率為14.9 Hz，十分接近設(shè)計(jì)的最佳調(diào)諧頻率，此時(shí)水下輻射聲功率對(duì)比如圖10所示。

圖 10 針對(duì)15.8 Hz設(shè)計(jì)的動(dòng)力吸振器降噪效果對(duì)比Fig. 10 Noise reduction effect comparison of DVAs for 15.8 Hz

可以看出，由于吸振器設(shè)置了阻尼，動(dòng)力吸振器對(duì)11.5 Hz和20.2 Hz的線譜峰值均有一定程度的抑制，但對(duì)于15.8 Hz處的噪聲線譜則幾乎沒有影響。雖然吸振質(zhì)量在16 Hz附近因?yàn)楣舱穸穹眲≡龃螅捎谕w結(jié)構(gòu)在16 Hz附近沒有固有頻率，所以對(duì)水下噪聲的影響很小。

由此可見，安裝在連續(xù)結(jié)構(gòu)上的動(dòng)力吸振器，其減振機(jī)理主要是通過改變結(jié)構(gòu)的局部模態(tài)來發(fā)揮作用，所以僅能對(duì)由結(jié)構(gòu)共振引起的線譜噪聲起到較好的抑制作用。如果激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)的共振頻率相差較遠(yuǎn)，在結(jié)構(gòu)上安裝動(dòng)力吸振器很難消除這類來自于激勵(lì)源的線譜峰值，這與安裝在單自由度系統(tǒng)上的動(dòng)力吸振器有所不同。如果要消除來自設(shè)備激勵(lì)力的線譜，最好直接將吸振器安裝在設(shè)備上。

5 結(jié) 語

本文以某艇體結(jié)構(gòu)為對(duì)象，建立流固耦合數(shù)值分析模型，計(jì)算分析了艇體結(jié)構(gòu)分布式動(dòng)力吸振器的降噪效果和作用機(jī)理，主要結(jié)論如下：

1）為提高吸振效果，動(dòng)力吸振器應(yīng)根據(jù)模態(tài)振型安裝在振幅最大的地方，同時(shí)注意避免新產(chǎn)生的固有頻率與激勵(lì)頻率吻合。

2）在連續(xù)結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)動(dòng)力吸振器時(shí)，吸振質(zhì)量通常需要通過計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，增大吸振質(zhì)量，有利于提高吸振效果。

3）在連續(xù)結(jié)構(gòu)上安裝的動(dòng)力吸振器，可以有效減小由結(jié)構(gòu)共振引起的線譜噪聲，其作用機(jī)理是改變結(jié)構(gòu)的局部模態(tài)。對(duì)于由激勵(lì)源本身引起的線譜，最好將吸振器安裝在設(shè)備上。