高強(qiáng)度鋼艙段浮筏基座結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)

侯磊，董一洋，耿黎明*

1 海軍裝備部駐武漢地區(qū)第二軍事代表室，湖北 武漢 430064 2 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

隱蔽性和機(jī)動(dòng)性是潛艇的主要研究方向，降低水下輻射噪聲和提高下潛深度是提升上述性能的重要措施。

潛艇低速巡航時(shí)，機(jī)械噪聲是最主要的噪聲源，有效控制機(jī)械噪聲是潛艇實(shí)現(xiàn)安靜化的首要環(huán)節(jié)。在運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，機(jī)械設(shè)備通過(guò)基座激勵(lì)船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)，并經(jīng)耐壓殼體向水中輻射噪聲。為此，隔振器、撓性接管、聲學(xué)覆蓋層等被廣泛應(yīng)用于潛艇的減振降噪。浮筏是潛艇機(jī)械噪聲控制措施的綜合體現(xiàn)。實(shí)際上，浮筏是一種特殊的隔振系統(tǒng)，其機(jī)理是利用浮筏裝置中彈性元件的阻尼和中間質(zhì)量來(lái)控制并衰減振動(dòng)能量，從而減小傳遞至耐壓殼體的振動(dòng)能量[1]。然而，在安靜化進(jìn)程中，潛艇將再次面臨輻射噪聲能量新級(jí)差[2]，僅依靠改良浮筏隔振系統(tǒng)、加大結(jié)構(gòu)剛度和阻尼，所能實(shí)現(xiàn)的機(jī)械噪聲控制力度有限。

為了保證潛艇的安全性，并有效控制結(jié)構(gòu)重量，必須采用高強(qiáng)度鋼來(lái)建造耐壓結(jié)構(gòu)。然而，高強(qiáng)度鋼對(duì)缺陷偏差的高度敏感性使其對(duì)制造工藝要求嚴(yán)苛，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在焊接裝配過(guò)程中易于產(chǎn)生裂紋；較高的屈強(qiáng)比和較低的相對(duì)疲勞強(qiáng)度使結(jié)構(gòu)的塑性裕度下降，抵抗裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的能力降低[3]。因此，高強(qiáng)度鋼耐壓船體設(shè)計(jì)需盡量消除結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)，消除局部高應(yīng)力狀態(tài)[4]。

浮筏基座作為連接浮筏與耐壓船體的結(jié)構(gòu)，一方面與耐壓船體共同承擔(dān)外壓載荷的作用，另一方面又是艙內(nèi)機(jī)械噪聲向外傳遞的主要途徑。在進(jìn)行高強(qiáng)度鋼艙段浮筏基座設(shè)計(jì)時(shí)，需要由被動(dòng)的減振降噪轉(zhuǎn)向主動(dòng)的，并兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和重量、聲學(xué)阻抗適配和振動(dòng)等多因素，進(jìn)行結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)。

本文擬對(duì)某典型浮筏基座進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。該基座作為浮筏上機(jī)械設(shè)備振動(dòng)向艇外傳遞的主要途徑，其聲學(xué)設(shè)計(jì)聚焦于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。通過(guò)改變基座結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析其對(duì)基座阻抗、固有頻率、重量、耐壓船體強(qiáng)度的影響，經(jīng)過(guò)多方案迭代，得到該基座的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)要求

浮筏的振動(dòng)經(jīng)由基座傳遞到耐壓船體，基座的阻抗將直接影響結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。提高基座阻抗值和阻抗均勻性，能有效改善耐壓船體的輻射噪聲[5-6]。從聲學(xué)角度出發(fā)，要求基座的結(jié)構(gòu)形式、幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)剛度等能夠?qū)崿F(xiàn)提高阻抗值和阻抗均勻性的目的[7]。

對(duì)于由高強(qiáng)度鋼建造的耐壓船體，局部高應(yīng)力部位主要為結(jié)構(gòu)剛度和連續(xù)性發(fā)生變化的位置[8-9]。浮筏基座作為艙段內(nèi)剛度較大的強(qiáng)結(jié)構(gòu)，約束著耐壓船體在外壓作用下的變形。從力學(xué)角度出發(fā)，要求盡可能降低基座對(duì)耐壓船體強(qiáng)度所產(chǎn)生的影響。

高強(qiáng)度鋼艙段浮筏基座設(shè)計(jì)需要兼顧上述2個(gè)方面的要求：聲學(xué)上的阻抗適配需要提高基座剛度，力學(xué)上的剛度匹配則希望基座的剛度控制在合適范圍內(nèi)。綜合考慮，為了避免在高強(qiáng)度鋼耐壓殼體上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)，使殼板產(chǎn)生局部高應(yīng)力狀態(tài)，給結(jié)構(gòu)安全性帶來(lái)隱患，對(duì)高強(qiáng)度鋼艙段浮筏基座結(jié)構(gòu)開(kāi)展了針對(duì)性設(shè)計(jì)：1）摒棄了傳統(tǒng)艙段大型基座將面板和腹板直接與耐壓船體焊接的結(jié)構(gòu)形式，面板不再與耐壓船體殼板相連，僅在兩端與平面艙壁水平桁連接；2）取消腹板，在每檔肋位處設(shè)置實(shí)肋板連接基座面板與耐壓船體肋骨；3）面板之下沿縱向設(shè)置縱筋以提高結(jié)構(gòu)剛度。采用上述結(jié)構(gòu)形式的浮筏基座，在設(shè)計(jì)中應(yīng)滿足如下要求：

1） 0～1 000 Hz頻段內(nèi)艙段浮筏基座隔振器安裝部位原點(diǎn)輸入機(jī)械阻抗應(yīng)不小于規(guī)定值；

2） 艙段浮筏基座前兩階固有頻率應(yīng)錯(cuò)開(kāi)其上機(jī)械設(shè)備的特征頻率20%以上；

3） 基座的耐壓船體艙段強(qiáng)度應(yīng)滿足規(guī)范要求；

4） 基座結(jié)構(gòu)重量增加量在可接受范圍內(nèi)。

2 基座阻抗分析

2.1 有限元模型

選取艙段浮筏基座及與之相連的耐壓圓柱殼和內(nèi)部平面艙壁作為研究對(duì)象，如圖1所示。耐壓圓柱殼的肋距為600 mm。基座面板厚度為35 mm，其上設(shè)置有5個(gè)隔振器連接艙段浮筏與基座，隔振器安裝墊板厚30 mm。每檔肋位處設(shè)置30 mm厚的實(shí)肋板連接基座面板與耐壓船體肋骨，實(shí)肋板面板寬60 mm，厚35 mm。基座面板之下，在隔振器激勵(lì)點(diǎn)中心位置沿耐壓船體縱向設(shè)置30 mm厚、200 mm高的縱筋。材料的彈性模量為196 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

圖 1 基座有限元模型Fig.1 Finite element model of the foundation

有限元模型以船寬方向?yàn)閄軸，船長(zhǎng)方向?yàn)閅軸，型深方向?yàn)閆軸。模型均采用Shell單元。艙段兩端設(shè)置簡(jiǎn)支邊界條件。在隔振器安裝墊板中心位置施加沿Z軸的單位激勵(lì)力。

2.2 阻抗分析

考慮基座結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，僅分析P1～P5這5個(gè)激勵(lì)點(diǎn)作用下的阻抗，各激勵(lì)點(diǎn)均位于隔振器安裝中心位置。提取各點(diǎn)的原點(diǎn)速度響應(yīng)，計(jì)算相應(yīng)的原點(diǎn)阻抗和1/3倍頻阻抗，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。圖2給出了激勵(lì)點(diǎn)P1的阻抗計(jì)算結(jié)果。

圖 2 激勵(lì)點(diǎn)P1的阻抗分析結(jié)果Fig.2 Impedance analysis results of exciting point P1

計(jì)算結(jié)果表明，在0～500 Hz和950～1 000 Hz頻率范圍內(nèi)，激勵(lì)點(diǎn)P1的阻抗計(jì)算值均低于標(biāo)準(zhǔn)值。激勵(lì)點(diǎn)P2～P5的分析情況也與之類似。因此，需開(kāi)展原始基座結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化。

2.3 基座結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了提高基座在各激勵(lì)點(diǎn)處的阻抗值和阻抗均勻性，對(duì)基座結(jié)構(gòu)形式和幾何參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，開(kāi)展了多方案的阻抗分析計(jì)算。

1） 增加基座面板厚度；

2） 在基座面板之下半檔肋位處增設(shè)橫筋；

3） 增加各激勵(lì)點(diǎn)處基座實(shí)肋板的厚度；

4） 增加各實(shí)肋板面板寬度，將實(shí)肋板面板連接起來(lái)；

5） 在基座面板之下局部位置增設(shè)縱筋。經(jīng)過(guò)多方案試算，最終確定的改進(jìn)方案為：基座面板厚度增為40 mm，半檔肋位處增設(shè)高2 00 mm、厚30 mm的橫筋，激勵(lì)點(diǎn)處的實(shí)肋板厚度增為50 mm，將各肋位的實(shí)肋板連接到一起，基座局部位置增設(shè)縱筋。基座改進(jìn)方案的有限元模型如圖3所示。

圖 3 基座改進(jìn)方案有限元模型Fig.3 Finite element model of the improved foundation scheme

改進(jìn)后激勵(lì)點(diǎn)P1的阻抗計(jì)算結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，激勵(lì)點(diǎn)P1在全頻段的阻抗計(jì)算值基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。激勵(lì)點(diǎn)P2～P5的阻抗計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

3 基座模態(tài)和艙段強(qiáng)度分析

浮筏基座改進(jìn)方案第1、2階固有模態(tài)的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。基座前兩階模態(tài)分別為43.309和79.182 Hz，與浮筏上機(jī)械設(shè)備的108 Hz特征頻率的差值超過(guò)20%，滿足設(shè)計(jì)要求。

為了分析浮筏基座對(duì)耐壓船體應(yīng)力狀態(tài)的影響，在極限壓力作用下，通過(guò)有限元模型分別計(jì)算了高強(qiáng)度鋼艙段在無(wú)基座、原始基座、改進(jìn)基座方案下的應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表可見(jiàn)，浮筏基座提高了耐壓船體的應(yīng)力狀態(tài)，采用結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)后的基座，耐壓船體的強(qiáng)度能夠滿足規(guī)范要求。改進(jìn)后的基座給耐壓船體應(yīng)力狀態(tài)帶來(lái)的影響小于原始基座。

圖 4 基座改進(jìn)方案激勵(lì)點(diǎn)P1阻抗分析結(jié)果Fig.4 Impedance analysis results of exciting point P1 of the improved foundation scheme

圖 5 基座改進(jìn)方案激勵(lì)點(diǎn)P2～P5阻抗分析結(jié)果Fig.5 Impedance analysis results of exciting point P2-P5 of the improved foundation scheme

圖 6 基座前兩階固有模態(tài)Fig.6 First two intrinsic modes of the foundation

由表1可見(jiàn)，肋骨面板周向應(yīng)力受基座影響較大，在基座附近明顯增大。如果再考慮肋骨初撓度在肋骨面板處產(chǎn)生的附加應(yīng)力，對(duì)于改進(jìn)基座方案，依據(jù)相應(yīng)規(guī)范計(jì)算其影響值為-153.7 MPa，因此，肋骨面板疊加修正后的應(yīng)力值為-599.7 MPa，應(yīng)力值小于高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度。

表 1 基座對(duì)耐壓船體強(qiáng)度的影響Table 1 Influence of the foundation on the pressure hull strength

4 結(jié) 論

本文以高強(qiáng)度鋼艙段某典型浮筏基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為研究對(duì)象，綜合權(quán)衡聲學(xué)阻抗適配和力學(xué)剛度匹配要求，采用不與耐壓殼體連接的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)有限元建模分析，對(duì)該結(jié)構(gòu)的阻抗特性和固有頻率進(jìn)行了計(jì)算，并通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整和多方案計(jì)算，得到了符合設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。計(jì)算結(jié)果表明：

1） 改進(jìn)后的浮筏基座提高了基座阻抗幅值，降低了基座固有頻率與設(shè)備特征頻率的耦合性和振動(dòng)響應(yīng)，基座結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2） 考慮基座影響的耐壓船體結(jié)構(gòu)，其殼板和肋骨的強(qiáng)度能夠滿足規(guī)范要求，基座的重量增加量在可接受范圍內(nèi)。