螺旋槳激勵下船艉結構振動控制試驗研究

蔣圣鵬，黃子祥，巫頔，劉志忠，張志誼*

1 上海交通大學 振動、沖擊、噪聲研究所，上海 200240

2 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

降低艦船振動噪聲不僅能夠提高艦員生活和工作的舒適性，保證艦載設備的使用性能，改善艦船水下聲輻射性能，還有利于提高艦船的作戰(zhàn)性能。艦船作為復雜的噪聲源，其輻射噪聲主要來源于機械噪聲、水動力噪聲和螺旋槳噪聲[1]。隨著減振技術的廣泛應用和船舶建造工藝的提高，機械噪聲顯著下降。水動力噪聲在低航速時并不明顯，但在高航速時又不及螺旋槳噪聲顯著。研究結果表明，艦船低頻段輻射噪聲與艉部激勵密切相關，降低由艉部激勵引起的振動噪聲十分必要[2]。螺旋槳激勵引起的結構振動噪聲是影響艦船水下輻射噪聲的重要因素。

針對艉部結構振動與聲輻射問題，有學者通過對船體結構進行參數(shù)優(yōu)化取得了良好的抑制振動效果。例如，吳曉璐[3]通過對船體安裝基座和機箱結構進行優(yōu)化設計，討論了不同方案對船體振動特性的影響；劉洋[4]采用加密加強筋和增加板厚的措施增加結構強度，使艙室振動得到抑制。然而，結構優(yōu)化并非不受限制，在結構確定的情況下，通過隔振器[5-6]、阻振質量[7-8]、約束阻尼層[9-10]、動力吸振器[11-12]等附加裝置進行振動控制顯得更為重要。對于螺旋槳激勵下的船艉系統(tǒng)振動控制，鄭洪波等[13]、黃志偉[14]進行了槳-軸系統(tǒng)縱向主動控制，使得系統(tǒng)第1階縱向振動下降了90%，第2階縱向振動下降了50%；Dylejko等[15]針對艇體縱向振動問題，研究了共振轉換器和結構參數(shù)優(yōu)化。與縱向振動相比，螺旋槳激勵引起的橫向振動更加復雜，這是因為船艉結構是一個與螺旋槳軸系高度耦合的系統(tǒng)，橫向彎曲模態(tài)密集，振動具有多個傳遞通道，而且傳遞特性復雜，這給橫向振動控制帶來了很大挑戰(zhàn)。此外，艉部結構振動與聲輻射研究主要集中在理論計算[16-17]和數(shù)值仿真[18-19]方面，而試驗驗證[20]作為理論到應用的重要環(huán)節(jié)則有待深入開展。

本文以船艉結構試驗臺架為對象，擬對螺旋槳激勵下的艉部結構振動控制進行試驗和測試，包括配重盤激勵下艉部結構振動傳遞特性測試和3種艉部結構振動控制方法測試，通過試驗獲得不同方法對艉部結構振動的抑制效果。

1 試驗系統(tǒng)

圖1所示為軸系-船艉振動試驗臺的縮比系統(tǒng)。試驗臺總長7 m，寬1.68 m，高0.75 m，總重約3.5 t，由艉部船體和軸系組成，其中軸系及其驅動裝置如圖2所示。整個試驗臺安裝在4個剛度為2.6×106N/m的彈簧-油液減振器上，整體振動頻率小于5 Hz，遠低于艉部結構一階固有模態(tài)頻率（約21 Hz）。系統(tǒng)的前4階典型模態(tài)如圖3所示，主要表現(xiàn)為殼體的扭轉和彎曲振動。

圖 1 船艉結構振動控制試驗臺Fig.1 Test bench for vibration control of the stern structure

圖 2 試驗臺軸系Fig.2 Shaft of the test bench

圖 3 系統(tǒng)典型模態(tài)Fig.3 Typical vibration modes of the system

試驗測試主要包括2個部分：配重盤激勵下的振動傳遞特性和軸系-船艉耦合系統(tǒng)振動控制效果。

為便于在轉動條件下的測試，本文傳遞特性測試采用了錘擊法，將激勵力施加于配重盤處，測試在軸系靜止和低速轉動條件下各軸承座的振動加速度頻響曲線，進而獲得耦合系統(tǒng)的振動傳遞特性。

對于軸系-船艉耦合系統(tǒng)振動控制效果測試，在軸系末端的配重盤上施加橫向隨機激勵（激勵頻率為5～2 000 Hz），同時測量各船艉結構的加速度響應，通過比較控制前、后各測點的振級來評價振動控制效果。

2 配重盤激勵下的振動傳遞測試

圖4所示為振動傳遞特性測試系統(tǒng)。在配重盤處施加脈沖激勵，測試系統(tǒng)主要由力錘、振動傳感器、數(shù)據(jù)采集分析儀等組成，其中振動響應采用三向加速度傳感器，分別固定在齒輪箱基座、推力軸承座、Ⅰ號中間軸承座、Ⅱ號中間軸承座、艉管水潤滑軸承座和艉軸承座上，對應參數(shù)如表1所示，布置位置盡量設在局部剛度較大處，以避免結構局部振動對測試結果造成影響。表中，X,Y,Z分別表示軸系的縱向、垂向以及水平方向。

在軸系靜止和低速轉動（轉速300 r/min）狀態(tài)下，通過在配重盤處施加沖擊激勵獲得各個軸承座的三向振動頻響函數(shù)，由此計算在等效的單位白噪聲激勵下，與靜止和低速轉動工況對應的軸承座三向加速度頻譜，然后按照式(1)計算隨機響應的功率譜密度。

圖 4 振動傳遞特性測試系統(tǒng)Fig.4 Test system of vibration transmission characteristics

表 1 傳感器布置Table 1 Arrangement of sensors in the test of vibration transmission

根據(jù)功率譜密度，由式(2)和式(3)計算給定頻段 (f0,ft)內(nèi)的功率譜有效值A0及振級A。

式中：fi為 頻率值；Pfi為fi頻率對應的功率譜密度；Ar為參考值，取值 1×10-6m/s2。計算結果如表2所示。

表 2 不同工況下各測點的振級Table 2 Vibration levels of each measurement point under different working conditions

由表可以看出：

1) 在軸系末端的配重盤處施加垂向激勵，除推力軸承座和Ⅰ號中間軸承座外，其他軸承座的垂向振動響應略高于縱向和水平方向響應值，說明三向振動的耦合較明顯。

2) 在齒輪箱和所有軸承座中，艉管水潤滑軸承和艉軸承的垂向振動響應總體上高于其他位置，而且從圖5可以看出，在1 000 Hz以內(nèi)的大部分頻段，艉軸承較艉管軸承的加速度響應大。因此，振動控制需重點關注艉軸承處的傳遞。

圖 5 艉管軸承與艉軸承垂向振動功率譜密度Fig.5 Vibration power spectral densities of the stern-tube bearing and the stern bearing

3) 在軸系靜止和低速運轉狀態(tài)下，配重盤處激勵引起的軸系各軸承座振動自艉部至艏部逐漸下降，變化趨勢相當。

3 船艉結構振動控制

船艉結構振動控制重點考慮艉軸承的振動傳遞控制，3種控制方法如圖6所示。

圖 6 3種振動控制措施Fig.6 Three vibration control methods

具體包括：

1) 在艉軸架與船艉結構連接處采用隔振器，抑制軸系振動向船體的傳遞。控制前，艉軸架與船艉結構之間為剛性支承，支承剛度高于1010N/m。在保證軸系對中的前提下，將剛性支承改為彈性支承，支承剛度為5×108N/m。

2) 在連接艉軸架的船艉結構上均勻布置阻振質量，限制振動波傳遞。根據(jù)式(4)計算模型布置阻振質量后的結構加速度響應并利用遺傳算法進行參數(shù)優(yōu)化，再結合試驗參數(shù)驗證，最終確定本試驗中單個阻振質量塊為0.5 kg，間隔200 mm。

式中：Xi和Xj分別為響應點和阻振質量安裝點的位移響應；Fi和Fj分別為系統(tǒng)外激勵力和阻振質量對系統(tǒng)的激勵力；Hii和Hji為外激勵力下的位移導納；Hji和Hjj為阻振質量激勵下的位移導納。

3) 在連接艉軸架的船艉結構上鋪設約束阻尼層，耗散振動能量。阻尼層主要為無溶劑聚氨酯/環(huán)氧樹脂IPN體系填料，約束阻尼層主要為無溶劑環(huán)氧樹脂體系。約束阻尼層的損耗因子高，阻尼溫域寬，而且附著力強。通常情況下，約束阻尼層的總厚度為基材厚度的2倍。本試驗中，船艉板材厚度為8 mm，鋪設的阻尼層厚度為1 mm，約束層厚度為15 mm。

為獲得船艉結構振動控制效果，采用電磁激振器對配重盤施加垂向隨機激勵（軸系不轉），同時測量艉支架連接板和艉部殼體的加速度響應。測試系統(tǒng)和測點布置及其靈敏度如圖7和表3所示，其中，測點分布于艉軸架連接板和艉部殼體上，傳感器沿接觸面法向布置。

圖 7 船艉結構振動測試系統(tǒng)Fig.7 Vibration measurement system of the stern structure

表 3 船艉結構各振動控制測點布置及靈敏度Table 3 Sensitivity of measurement points at different vibration control in the stern structure

試驗臺不同部位的振動加速度響應存在差異，即使是同一部位，不同位置的振動加速度也有所不同，因此常常對拾取的多個加速度響應值按照式(2)計算每個傳感器對應的振動有效值，再利用式(5)分別計算艉軸架連接板和艉部殼體的總振動，最后根據(jù)式(3)計算總振級。

式中，N為測點總數(shù)。

根據(jù)艉軸架連接板和艉部殼體振動加速度響應計算200～1 500 Hz內(nèi)的振級，如表4所示。

表 4 控制前/后的振級Table 4 Vibration levels before/after controling

由表4可見，3種方法都不同程度地抑制了船艉結構的響應，具體如下：

1) 隔振使艉軸架連接板振動下降了3.2 dB，艉部殼體振動總級下降了4.0 dB，局部共振峰抑制效果明顯，如圖8(a)和圖9（a）所示。同時，由于支承剛度減小，系統(tǒng)共振頻率前移（例如77 Hz降為62 Hz），且因艉支承剛度改變后系統(tǒng)傳遞特性的變化，造成隔振后部分頻段（例如1 100～1 300 Hz）的振動變大，所以需采取其他控制措施。

2) 在隔振的基礎上，繼續(xù)在艉軸架連接板上布置阻振質量，測試結果如圖8(b)和圖9(b)所示。結果表明，連接板的振動幾乎不變，但艉部殼體的振動下降1.2 dB，且1 100～1 300 Hz頻段內(nèi)的振動響應得到明顯抑制，說明阻振質量能有效抑制軸系振動經(jīng)艉軸架向船艉結構的傳遞。

3) 在隔振和阻振的基礎上，繼續(xù)在艉軸架連接板上添加約束阻尼層，測試結果如圖8(c)和圖9(c)所示。結果表明，約束阻尼層單獨作用下，共振峰得到抑制，且在高頻段表現(xiàn)出了較好的寬頻抑制效果。

4) 在3種控制措施聯(lián)合作用下測試的結果表明，艉部結構振動加速度下降了6 dB以上，共振峰幅值和高頻寬帶振動得到抑制，如圖8(d)和圖9(d)所示。

4 結 論

本文通過試驗研究螺旋槳激勵下的船艉結構振動控制，對隔振、阻振質量和約束阻尼層3種方法的減振效果進行了測試，主要結論如下：

1) 在螺旋槳激勵下，振動經(jīng)軸系各軸承座傳至艉部結構，其中通過艉軸承的傳遞明顯大于其他路徑。因此，在進行振動控制時應重點關注艉軸承位置。

圖 8 艉部殼體振動響應對比Fig.8 Vibration responses comparison of the stern shell

圖 9 艉軸架連接板振動響應對比Fig.9 Vibration responses comparison of the connecting plate of shaft bracket

2) 隔振、阻振質量和約束阻尼的綜合運用可使艉部結構振動加速度下降6 dB以上，降低共振峰幅值，抑制高頻寬帶振動。

3) 在進行艉部結構振動控制時，以上3種振動控制方法具有不同的特點：軸承座隔振降低中低頻共振峰值的效果有限；阻振質量對限制振動向艉部船體的傳播比較有效；阻尼涂層對抑制中高頻振動峰幅值效果明顯。在工程中可根據(jù)需求選擇相應的控制措施。