兩種箱體浮筏結構抗沖擊及全頻段隔振效果對比分析

吳選福 王 壯 陳 威 李曉彬

(武漢理工大學船海與能源動力工程學院1) 武漢 430063)(中國艦船研究設計中心船舶振動噪聲重點實驗室2) 武漢 430063) (武漢理工大學理學院3) 武漢 430063)

0 引 言

在船海工程的減振領域,機械設備的減振技術經歷了早期的剛性安裝設備、單層減振、雙層減振、浮筏減振、整艙浮筏減振等幾個主要階段[1].早期單層隔振在中高頻時隔振效果較差.針對單層隔振的缺點,發展出了雙層隔振,中高頻的隔振效果較單層隔振效果較好,但會增加船舶系統的額外負重[2].在雙層隔振的基礎上又發展出浮筏隔振,浮筏隔振系統能大幅減小動力機械振動和噪聲,并能提高設備工作的穩定性[3-6].隨著浮筏結構大型化、集成化的要求越來越高,傳統的浮筏結構也很難滿足要求, Bondayrk[7]推薦了一種艙筏結構,設備彈性安裝在筏架上,筏架結構再彈性安裝在艇體上,形成整艙浮筏結構,這種整艙浮筏結構能夠保證與傳統浮筏擁有相同的抗沖擊及隔振效果時,極大地提高了浮筏的空間利用率.

整艙浮筏內由于人員和重要設備的存在,對其的隔振和抗沖擊性能提出了更高的要求,而不同的筏架結構直接影響到浮筏抗沖擊及隔振性能的好壞.在隔振方面,況成玉等[8]將周期結構引入到浮筏結構中,研究表明：周期桁架結構比傳統板架結構更能有效抑制振動的傳遞.黃修長等[9]利用周期性結構的阻帶特性和曲梁的波形轉換效應,設計了一種曲梁周期浮筏,這種浮筏基于波形轉換的曲梁結構能夠增加振動衰減,并增加隔振裝置的低頻段和寬頻段的隔振能力.程世祥等[10]設計了一種新型周期桁架結構浮筏,對桁架式浮筏隔振效果進行實驗分析,結果表明：新型周期性桁架結構浮筏抑制振動傳遞的能力比傳統浮筏更強.張峰等[11]設計了一種裝有顆粒阻尼的塑料軟管,將其運用到桁架結構振動控制中,試驗分析結果表明：桁架外包顆粒阻尼的方法,在300 Hz以后能有效抑制結構之間的共振.黃修長等[12]利用周期結構產生的阻帶銅帶機制和手性結構所具有的波形轉換和振動區域效應的作用,設計了一種手性周期結構浮筏，該浮筏限制了浮筏隔振裝置中的振動傳遞,提高了浮筏的振動衰減效果. 在抗沖擊方面,Ichiro 等[13]設計了折疊式桁架支撐結構,計算了桁架結構在碰撞、沖擊載荷作用下的動力學響應.陳義蜂等[14]對充液浮筏和不沖液浮筏的抗沖及進行研究,結果發現在沖擊環境下,充油筏體的加速度較不充油筏體的加速度小17%.

目前國內的研究報道大多關于傳統浮筏系統的研究，傳統浮筏設計主要采用板、梁一類結構，形式比較單一，缺少新概念、新原理，隔振性能再次提升存在一定制約因素.文中將網架結構應用于傳統板架浮筏中,設計了一種新型的網架式箱體浮筏,對新型網架式箱體浮筏系統進行抗沖擊及隔振效果研究,并與傳統板架箱體浮筏進行比對分析.

1 模型建立

網架結構是由多根桿件按照一定的網格形式通過節點連接而成的空間結構，具有空間受力小、重量輕、剛度大、抗震性能好等優點，而這些優點恰能符合浮筏隔振系統集成化、大型化、輕量化的需求。文中將傳統板架浮筏中部支撐上下面板的豎直板改進為相互交錯的網架支撐結構,形成了一種新型網架式箱體浮筏,建立的模型見圖1.兩種浮筏結構的筏架部分長、寬、高相同(即長8 m、寬6.08 m,高2.1 m),結構材料選取為Q345鋼,材料密度為7.85×103kg/m3,彈性模量E=206 GPa,泊松比σ=0.3.對筏架結構進行隔振器選型配置,形成箱體浮筏隔振系統.箱體浮筏上下面板上有中小型設備,其總重量約為9.7 t.筏架用Shell181單元(四節點殼單元)來進行建模,由于建模時板架箱體浮筏和網架箱體浮筏的單元大小分別為40 mm和30 mm,故兩個模型的單元數相差較多.隔振系統的重量信息見表1,筏架的重量相差0.46%,總重量相差0.32%,兩者都遠小于1%,即兩種浮筏模型重量相差不大.

表1 模型重量表

圖1 示意圖

浮筏隔振系統主要由筏架、隔振器以及設備組成.隔振器是隔振系統中的重要器件,由于其質量較小,一般忽略隔振器的內部結構,只關注其變形量,基于以上原因,選擇三向彈簧單元來模擬隔振器.為使研究更加結合工程項目的實際需求，隔振器參數選用了大變形KB系列隔振器參數, 隔振器的相關參數見表2～3.考慮到浮筏結構與船體傾斜搖擺狀態下可能與側壁擦碰,布置了6個剛度較小的中層隔振器.對于筏架上的設備和人員,由于其尺度和筏架相比要小的多,故采用質量點的方式來模擬設備和人員,質量點和彈簧之間采用多點約束184(multi-point constraint, MPC)單元進行剛性約束.

表2 KB系列隔振器規格與主要性能

KB系列隔振器X、Y、Z方向沖力與變形的關系可表示為

式中：各隔振器對應的參數d0、k、a、b見表3。

表3 KB系列隔振器沖擊參數

2 抗沖擊效果對比分析

沖擊環境基于 GJB1060.1-91 中沖擊設計輸入,參考德國 BV043-85 標準將浮筏系統的設計沖擊響應關于頻率的沖擊譜等效轉化為系統的沖擊載荷-時間變化曲線[15-16].假設設備抗沖擊能力設計為 A 級,浮筏安裝在船體部位,安裝形式為彈性設計.基于箱體浮筏隔振系統重量對箱體浮筏設計的垂向沖擊載荷輸入見圖2.

圖2 浮筏系統垂向沖擊加速度時域曲線

采用瞬態動力學顯式分析的方法,將加速度沖擊波曲線作為載荷施加到浮筏系統上,分析浮筏系統在沖擊荷載下的動態響應.筏架結構在沖擊的作用下,隔振器由于阻尼的原因會反復震蕩衰減,沖擊能量逐漸耗散.由于垂向沖擊,筏架下層隔振器的垂向變形量遠大于其他兩個方向,變形量因阻尼的作用呈現明顯的周期性變化.板架箱體浮筏下層隔振器變形量的變化周期為0.15 s,隔振器變形量的第一個、第二個和第三個峰值分別為19.91，11.8和7.24 mm,網架箱體浮筏下層隔振器變形量的變化周期為0.16 s,隔振器變形量的第一個、第二個和第三個峰值分別為19.40，12.82和6.97 mm,振幅都呈逐步衰減趨勢(見圖3).

圖3 板架和網架浮筏結構受垂向沖擊作用下下層隔振器變形量隨時間衰減曲線

由于箱體浮筏不僅承載了設備,還作為人員活動艙室,起保護設備和人員的安全的目的,其上、下面板的峰值加速度須小于人體的承載極限(約為12g),板架浮箱體筏結構和網架箱體浮筏結構上、下面板加速度見圖4～5,由于設備和人員的存在,筏架又非剛體結構,所以在沖擊作用下,會發生劇烈振動,即筏架上、下面板的加速度包含整體的加速度及自身局部的加速度.

圖4 板架浮筏結構受垂向沖擊作用下云圖

圖5 網架浮筏結構受垂向沖擊作用下云圖

沖擊作用下的結果統計見表4,板架箱體浮筏和網架箱體浮筏的最大位移相差約2.8%(基于板架)、下層隔振器最大形變量相差約2.5%、面板峰值加速度分相差約-9.6%.在沖擊環境下,板架箱體浮筏和網架箱體浮筏最大位移、上下面板加速度的峰值、下層隔振器變形量都相差較小,差值都小于10%,而板架箱體浮筏的最大應力比網架箱體浮筏高達45.8%,這是因為在沖擊環境下,整個筏體會出現彎曲、扭轉等復雜的變形裝態,網架結構將彎扭作用下的筏架內部復雜的應力狀態轉化為網架桿件內簡單的拉壓的應力狀態,從而減少了應力集中, 故網架箱體浮筏的抗沖擊性能略優于板架箱體浮筏.

表4 筏結構在垂向沖擊作用下的結果統計

3 浮筏隔振效果比對分析

選用振級落差的方式來評價浮筏系統的隔振效果[17].根據定義,加速度振級落差可表示為

LD=20 lg (D)

(1)

(2)

由于單個測點的振級落差不具有代表性,采用等效振級落差,選取若干個測點,計算其等效加速度振級,其表達式為

(3)

對筏架模型進行全頻段隔振效果分析,使用傳統的有限元法對模型在高頻段的隔振效果進行分析存在一定的局限性.因此,對不同頻段采用不同的方法進行隔振效果分析.

對箱體浮筏結構開展在5～10 000 Hz的隔振效果分析時,用VA-One軟件進行建模,根據模型動力學特點,劃分了低、中、高頻段,在帶寬內的模態數小于1定義為低頻區(5～200 Hz)、模態數大于1小于5定義為中頻區(200～1 000 Hz)、模態數大于5定義為高頻區(1 000～10 000 Hz).計算分析時,在某一設備處施加一個大小為100 N方向垂直向下的正弦激勵力,計算頻率范圍為5～10 000 Hz.在低頻段計算浮筏結構的隔振效果時采用有限元法[18],在中頻段采用混合法,在高頻段采用統計能量法(SEA法).建立的箱體浮筏結構有限元模型、Hybrid模型和SEA模型,分別適用于低頻段、中頻段和高頻段分析,兩種SEA模型示意圖見圖6.下層隔振器振級和振級落差曲線見圖7.

圖6 浮筏結構SEA模型

圖7 浮筏結構下層隔振器振級和振級落差曲線

由圖7可知:在5～200 Hz內,板架箱體浮筏和網架箱體浮筏的隔振效果先逐漸增大并不斷波動,隔振效果不穩定.該頻段內板架箱體浮筏振級落差范圍為11.37～50.32 dB,平均振級落差均值約在36 dB左右,而網架箱體浮筏結構振級落差范圍為14.61～50.91 dB,平均振級落差均值約在37 dB左右.在200～10 000 Hz的中高頻段,板架箱體浮筏和網架箱體浮筏的整體振級落差逐漸增大,表明頻率越高,板架箱體浮筏和網架箱體浮筏的隔振效果越好.在此頻段板架箱體浮筏的振級落差范圍為40.31～72. 38 dB,平均振級落差約為53 dB,而網架箱體浮筏的振級落差范圍為42.19～72.27 dB,平均振級落差約為55 dB.在全頻段內,網架箱體浮筏的平均振級落差都高于板架箱體浮筏,這是因為網架箱體浮筏的桿件具有三角形單元的空間結構,通過桿件之間的拉壓作用可實現筏體的自身穩定,振動源的振動會通過桿件之間的多向傳遞從而衰減.由此可見,網架箱體浮筏系統的隔振效果要略優于板架箱體浮筏系統的隔振效果.

4 結 論

1) 在沖擊環境下,板架箱體浮筏的最大應力比網架箱體浮筏高達45.8%,網架箱體浮筏結構結構相對板架箱體浮筏結構能減少應力集中,網架箱體浮筏的抗沖擊性能略優于板架箱體浮筏.

2) 在5～200 Hz的低頻段內,網架箱體浮筏的隔振效果先逐漸增大并不斷波動,隔振效果不穩定.在200～10 000 Hz的中高頻段,網架箱體浮筏的整體振級落差逐漸增大,表明頻率越高,網架箱體浮筏和板架箱體浮筏的隔振效果越好.從全頻段來看,網架箱體浮筏的平均振級落差都高于板架箱體浮筏,網架箱體浮筏系統的隔振效果要優于板架箱體浮筏系統的隔振效果.