聚氨酯夾層板艙口蓋振動特性研究

田阿利，傅梓軒，毛毅凝，姜文安

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

夾層板系統具有隔音隔熱效果明顯、結構型式簡單、輕便耐用、抗沖擊性能強等特點，近年來在船舶建造領域得到了廣泛應用，應用夾層板系統逐漸成為實現艦船高性能、輕量化設計與制造的發展趨勢[1-4]。由英國IE公司開發的聚氨酯夾層板，作為夾層板系統的重要組成部分，由上下兩層鋼面板和注入的聚氨酯芯層構成[5-6]。由于聚氨酯作為一種高分子彈性體，能夠起到消散能量，減小振動幅值的作用，因此可以應用在船舶結構的減振降噪中[7-8]。

國內外學者圍繞夾層板系統的振動特性以及在減振方面的應用開展了一系列研究。M.P.Arunkumar等[9]比較了蜂窩芯材、桁架芯材和泡沫芯材對夾層板振動響應的影響。Melis Yurddaskal等[10]通過實驗和數值仿真研究了曲率和泡沫芯材對曲面夾層板固有頻率的影響。Yang等[11]研究了填充碳纖維泡沫對波紋夾層板振動特性的影響并討論了其減振應用前景。高處等[12]對I型金屬夾層板的振動特性進行數值仿真分析，并探討了其在船舶減振設計中的應用。陸珊珊等[13]通過數值仿真研究了格柵夾層板的抑振性能，并通過實驗驗證了其抑振效果。趙留平[14]比較了由鋼板和夾層板制成的2種浮閥隔振系統的隔振效果，結果表明在等重情況下夾層板的隔振量高于鋼板3～4dB。牛壯[15]研究了采用粘彈性夾層板制成的船尾結構的減振效果，通過與鋼制船尾的對比，結果表明在尾封板和上甲板測點處的響應峰值分別較原結構降低5.2%和6.9%。

“我們將附近的十幾棟民居進行回收，統一恢復成小崗村上世紀70年代的風貌，形成茅草屋群落，展示完整、可參與的生產生活場景，同時聘請大包干帶頭人作為顧問進行場景講解。”楊永強說。

本文以輕量化為設計目標，以64000DWT散貨船鋼制艙口蓋為替代目標，采用以聚氨酯夾層板設計新型艙口蓋結構的方案，并通過有限元軟件Ansys Workbench開展SPS艙口蓋結構振動特性分析，重點研究了SPS艙口蓋結構的模態振型、諧響應及隨機振動，并與鋼制艙口蓋的振動特性進行了對比研究，探討了夾層板系統在船舶結構減振降噪方面的優勢和特點，研究結果可以為船舶輕量化設計、舒適性改善等提供參考。

在“量”增長的前提之下，實現武夷山民族地區城鎮化“質”的優化是第二步。城市在發展的過程中，難免會出現各種各樣的問題，比如說城市功能結構不合理、城市的現代哈程度不高。武夷山民族地區在發展過程中，處理好城市出現的各種問題至關重要。我們知道，城鎮化發展中，鄉村人口會大量涌入城市，城市會不可避免的出現住房緊張、水污染和大氣污染等各種污染。武夷山民族地區城鎮化一定要注意“質”的優化，“質”的優化是武夷山民族地區需要考慮的問題。

1 SPS艙口蓋模型

1.1 SPS艙口蓋結構設計

如圖1所示，4塊板板長L均為18 600 mm，板寬B分別為4 170 mm，5 700 mm，5 850 mm，4 170 mm。上蓋板厚度t1為10 mm，下蓋板厚度t2為9 mm。橫梁和縱桁高度H1，H2均為845 mm，厚度t3，t4均為10 mm。

以64000DWT散貨船的雙層鋼制艙口蓋（總重85 175 kg）為替代目標。該艙口蓋蓋板為對開折疊式，兩側各有2塊板通過鉸鏈連接。

在模態分析的基礎上，分析2種艙口蓋結構在承受周期循環載荷下的動態響應，以確定受迫振動時共振對結構的影響。在四邊簡支條件下，在2種艙口蓋上面板頂部施加100 Pa的均布壓強，掃頻范圍為0～30 Hz，掃頻步長為0.15 Hz，2種材料的艙口蓋幅頻響應結果如圖5所示。可以看出鋼制艙口蓋諧響應振幅為2.4 mm，SPS艙口蓋的諧響應振幅為0.6 mm，SPS艙口蓋的諧響應振幅相對鋼制艙口蓋降低75%，由此可見SPS艙口蓋在減振方面具有明顯優勢。

圖1 鋼制艙口蓋結構圖Fig.1 Structure size of steel cargo hatch cover

表1 SPS夾層板參數Tab.1 Parameters of sandwich plates

1.2 SPS艙口蓋結構有限元模型

對鋼制艙口蓋和SPS艙口蓋分別進行模態分析，以確定其固有頻率和振型。表3給出了鋼制艙口蓋和SPS艙口蓋前6階固有頻率的對比。結果表明SPS艙口蓋的固有頻率始終低于鋼制艙口蓋的固有頻率。圖3和圖4分別給出了二者的模態振型圖，由于結構形式相似，其模態振型變化也相接近。

由于歷史問題，無相關消防驗收意見。《消防法》自1998年9月1日起施行。C、D泊位竣工驗收日期比《中華人民共和國消防法》施行日期早。

圖2 SPS艙口蓋有限元模型Fig.2 Finite element models of SPS cargo hatch cover

表2 材料屬性Tab.2 The properties of two materials

2 SPS艙口蓋振動響應

2.1 SPS艙口蓋模態分析

對SPS艙口蓋采用殼體混合建模，其中上下SPS蓋板采用體建模，橫梁和縱桁采用殼建模，有限元模型如圖2所示。采用四面體網格對SPS艙口蓋進行劃分，單元數為154 359，節點數為1 048 852。對下蓋板下面板添加四邊簡支約束。材料主要屬性見表2。

為進一步確定結構響應的統計學特性，根據已知的2種艙口蓋的前6階固有頻率，通過Matlab軟件計算得到隨機位移功率譜。如圖6（a）所示。考慮到譜分析時采樣點的數量限制，在此選取30 Hz以內的30個點作為隨機振動的垂向激勵譜，如圖6（b）所示。

2.2 SPS艙口蓋諧響應分析

基于等強度原則，設計SPS艙口蓋。主要設計方案為：由聚氨酯夾層板代替鋼制艙口蓋的上下蓋板，并保留原橫梁和縱桁結構。SPS艙口蓋結構總質量為75 481 kg，比替代目標減少12.40%。聚氨酯夾層板尺寸參數如表1所示。

表3 艙口蓋自由振動頻率對比Tab.3 Comparisons of the natural frequencies of two hatch covers

圖3 鋼制艙口蓋模態振型圖Fig.3 Modal shapes of steel hatch cover

圖4 SPS艙口蓋模態振型圖Fig.4 Modal shapes of SPS hatch cover

2.3 SPS艙口蓋隨機振動分析

多年來，德國一直推動并實施循環經濟理念，法規政策的制定具有超前性，取得了明顯效果。首要目標是避免垃圾產生，法律規定各種可能產生生活垃圾的生產者，都有義務防止或降低垃圾產生量，最大限度地回收利用自己產生的垃圾，任何違反法律法規的污染行為都將受到巨額罰款；在此基礎上，法律規定首先進行物質（包括能源）的回收利用；剩余垃圾的處理，要采取有利于環境保護的技術和方法，在處理過程中處理產物都不能對環境產生污染。法規政策在執行過程中會經歷一些困難，但事實證明這些都是發展中的問題，不能因為配套設施跟不上而采取消極的政策。

本文基于64000DWT散貨船艙口蓋開展SPS艙口蓋結構設計，通過有限元軟件Ansys Workbench對2種艙口蓋的模態振型、諧響應和隨機振動進行分析，通過對2種結構的振動特性進行對比研究，得到如下結論：

圖5 艙口蓋諧響應曲線Fig.5 The amplitude-frequency response curves of two hatch covers

圖6 隨機功率譜密度Fig.6 Random power spectrum density

為分析結構變形最大時的情況，在最大變形處節點得到相應的位移響應譜，如圖9所示。鋼制艙口蓋垂向響應幅值為7 mm，SPS艙口蓋垂向響應幅值為0.2 mm，相對鋼制艙口蓋降低了97.1%。SPS艙口蓋垂向響應幅值明顯小于鋼制艙口蓋，證明SPS艙口蓋減振效果明顯。

3 結 語

在四邊簡支條件下輸入功率譜進行隨機振動分析，得到不同艙口蓋結構在1σ區域內的響應云圖，其中鋼阻尼比為0.01，聚氨酯阻尼比為0.65。如圖7所示，鋼制艙口蓋位移響應為1.821 mm，SPS艙口蓋位移響應為0.667 mm，SPS艙口蓋位移響應降低63.4%。如圖8所示，考慮到上面板受隨機激勵的影響，鋼制艙口蓋上蓋板上面板在1σ區域內的應力響應為8.733 MPa，SPS艙口蓋上蓋板上面板在1σ區域內的應力響應為2.084 MPa，SPS艙口蓋應力響應降低76.1%。通過比較分析可得，在相同激勵下SPS艙口蓋結構響應遠小于鋼制艙口蓋。

1）在等效設計前提下，新型SPS艙口蓋結構可以實現整體減重12%；

幼兒教育是學生的啟蒙教育，因此語言教師在這一階段承擔著很大的責任，而語言更是教師傳授知識的重要渠道。在這個階段，幼兒識字能力較差，所以教師便成了學習上的重要引領者。在幼教期間，教師需要格外注意自身的語言行為規范。同時，運用正確的語言教學方法對幼兒進行語言教育，充分利用此階段學生模仿力強的優勢，與幼兒相互配合，提高語言能力。

圖7 結構在1σ區域內變形云圖Fig.7 The deformation cloud maps of two structures in 1σ

圖8 結構在1σ區域內應力云圖Fig.8 The stress cloud maps of two structures in 1σ

圖9 結構垂向位移響應譜Fig.9 Vertical displacement response spectrum of two structures

2）SPS艙口蓋結構固有頻率始終低于鋼制艙口蓋，且諧響應振幅比鋼制艙口蓋結構降低了75%；

3）隨機振動載荷下的結構響應分析表明，在1σ區域內SPS艙口蓋結構的最大變形比鋼制艙口蓋降低了63.4%，最大應力降低了76.1%，且在最大位移處的垂向響應幅值較鋼制艙口蓋降低了97.1%；

4）SPS夾層板應用于船舶設計建造能夠有效降低結構振動響應，減振效果顯著。