刚性阻振质量在舰船基座设计中的应用研究

姚熊亮 王强勇 孙 明 庞福振

哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

刚性阻振质量在舰船基座设计中的应用研究

姚熊亮 王强勇 孙 明 庞福振

哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

基于阻抗失配原理，分析刚性阻振质量阻隔振动波传递的特性，提出在舰船弹性基座中引入刚性减振器，即在舰船基座与船体结构连接部位布设刚性阻振质量，并利用有限元法对基座舱段耐压壳体及基座板结构的振动传递特性进行数值仿真研究。研究结果表明：对于中高频结构噪声，刚性阻振质量能有效降低基座舱段耐压壳体的振动及声辐射，而对于低频结构噪声，阻振质量的减振效果不明显，甚至没有减振效果。这对刚性阻振技术在实艇减振降噪中的应用具有重要的参考意义。

刚性阻振质量；舰船基座；阻抗失配；减振降噪

1 引 言

舰船动力机械设备在运行时产生的振动与噪声，其中大部分由安装基座直接传递到船体结构，成为结构噪声。在船体结构上安装船用机械设备，通常借助中间安装构件——隔振基座，其作用是连接设备与船体结构，承受设备的动静载荷，传递船体与设备之间相互作用载荷，同时限制和阻抑设备传递的振动。传统隔振设计是在设备与基础之间配置弹性支撑或阻尼物质，这属于柔性隔振。但实际应用中，与动力机械相连的某些设备或结构在运行时往往不允许自身有大的变形，此时采用柔性隔振技术是不适宜的，而必须研究使用刚性减振技术。

在某型军舰上动力机械设备的隔振中，除采用常规隔振措施来阻抑结构声振动的传递外，还在隔振基座和船体板之间设置了刚性阻振质量来阻抑结构声振动的传递。通过对实船上刚性阻振质量的减振降噪效果的测试表明：刚性阻振质量不仅能有效地阻抑结构声振动的传递，而且能保证设备或结构不会发生大的变形。

刚性阻振质量与传统减振器的减振机理有很大不同，它属于刚性减振器，而目前国内对刚性阻振质量这种不同于传统柔性隔振的减振降噪措施的系统研究还比较少。Cremer L和 HecklM［1］在其关于结构声的经典著作中，对阻振质量作了简单的论述，但没有针对阻振质量参数的变化对振动传递的影响做专门的研究。 Лялуноь［2］等采用波动分析法计算了阻振质量阻抑结构声传递的透射系数和反射系数，并得到其隔振度。上海交通大学、海军工程大学也开展了相应的研究［3－6］。本文在上述文献的基础上，根据阻抗失配原理，从理论和数值两个方面研究了刚性阻振质量应用于舰船基座结构以及对基座结构隔振性能的影响，所得结论对刚性阻振技术的实艇应用具有一定的参考意义。

2 基本理论

定常结构的质量、刚度等发生突变时，会引起结构的阻抗失配，对入射波起到很好的反射作用。结构中材料物理性质的突变、截面的突变，转角、加强肋条的存在等，都会使弹性波在传播过程中不连续，反射或抑制一部分弹性波，从而起到隔离弹性波或结构声波的作用。

刚性阻振质量是沿着声振动传播途径配置在板结合处的一个矩形、正方形或圆形截面的大而重的条体，当激励引起的板平面弯曲波以某一角度入射刚性阻振质量，由于阻振质量相对板而言具有大的阻抗，从而反射一部分抵达阻振质量的弯曲波，达到隔离声振动的目的［7］。

下面以刚性阻振质量对弹性波的阻隔作用为研究对象，讨论平板中阻振质量对振动波传播规律的影响，不考虑振动波斜入射情况，取单位宽度的板结构进行研究。图1给出了刚性阻振质量突变截面处弹性波各物理参量的变化情况。其中ν表示质点的振动速度；ω表示质点的振动角速度；F、M分别表示力和力矩。

图1 刚性阻振质量处截面及各物理参量

根据文献［4］，刚性阻振质量的隔振度存在全透射频率与全隔离频率。在全透射频率处，阻振质量无减振效果；在全隔离频率处，阻振质量的减振效果最佳。此外，刚性阻振质量对振动波起隔离作用的主要参数是：阻振质量与板结构的质量比、阻振质量的质量惯性矩以及板中振动波的波长，而与阻振质量的绝对质量无关。下面以3mm厚平板为例，说明各参量对隔振度的影响，其中隔振度BH（dB）的计算公式为：

式中，W1、W2分别为入射波的能量和反射波的能量；T为透射系数。

由图2可见，随着频率的增大，透射系数先增大后减小，并在140 Hz处达到最大。图3给出了刚性阻振质量截面尺寸分别为20×20（mm）、40×40（mm）、60 ×60 （mm）、80 ×80（mm）、100 ×100（mm）时，其隔声量随频率的变化曲线。

图3 刚性阻振质量隔振度随频率变化曲线

由图3可以看出，刚性阻振质量对弯曲波的隔离效果非常显著，图中隔振度为零的频率为全透射频率，隔振度为无穷大的频率为全隔离频率。在全透射频率以下频率范围内，阻振质量对弯曲波几乎没有隔离作用；在全透射频率以上范围内，随着频率的增大，曲线迅速抬升，阻振质量对振动噪声的隔离效果越来越好，激励频率达到全隔离频率时，阻振质量的隔振效果最好；频率再增大，阻振质量的隔振效果有所下降，高频时，其隔振度趋于一稳定值。另外，随着刚性阻振质量截面积的逐渐增大，全透射频率与全隔离频率均向低频移动，且隔振峰值呈下降趋势。

3 计算模型和测点位置

3.1 基座计算模型

由前面的讨论可知，刚性阻振质量的减振降噪效果与其几何尺寸及质量分布存在很大关系，而与其绝对质量无关，在选择刚性阻振质量尺寸时，应避开全透射时的尺寸。本文采用的舱段模型为有沿轴向均布环筋加强的耐压壳体，壳体内对称分布了两行基座。舱段模型如图4所示。

图4 基座舱段模型示意图

综合考虑基座尺寸以及舱段总重量限制等问题，在与基座安装板架连接的基座腹板上布设刚性阻振质量带，含刚性阻振质量带的基座模型如图5所示。

本文所研究的基座结构模型具体尺寸如图6所示，a／b=3，c／b=2.4，d／b=2.4。 取刚性阻振质量截面尺寸为60×60（mm），阻振质量带的总重0.144 t，刚性阻振质量布置在基座腹板上靠近安装板架，e／b=0.16。

图5 含刚性阻振质量带的基座模型

图6 含刚性阻振质量基座尺寸示意图

3.2 边界条件及激励点位置

对基座结构进行频率响应计算，计算时将基座舱段前后各沿轴向向外延伸三档肋位沿周向施加全约束。为了简化计算，将设备重量以质量点的形式均布于基座面板，然后在两边基座面板上分别选取12个点作为设备隔振器的安装点，设备激励力（垂直于基座面板）通过这24个隔振器安装点传递到基座上并激励耐压壳体振动，激励频率按1／3倍频在0～1 000 Hz频段选取。

3.3 结构测点位置

针对本文所讨论的问题，在基座舱段耐压壳体上选取15个测点，另外，为综合考察刚性阻振质量的隔振性能，又在基座安装板架及腹板上分别选取两个测点，计算得到此19个测点在各频率下的加速度响应值。结构测点布置位置见图7。

图7 结构测点布置示意图

4 结果及分析

图8给出了布设刚性阻振质量前后所取测点的加速度响应值随激振频率变化曲线。通过对比分析即可讨论刚性阻振质量对基座隔振性能的影响规律。

图 8（a）～（e）表示基座舱段耐压壳体上测点的响应情况。

图8 结构测点加速度幅频响应特性曲线

通过比较可以看出，加刚性阻振质量基座的响应曲线有明显位于原基座对应曲线下方的趋势，这说明布设刚性阻振质量后基座舱段耐压壳体的振动水平下降了，特别在高频阶段表现得愈加明显，两曲线间距比较大。为综合评价刚性阻振质量的隔振性能，图8（f）给出了基座面板上测点的响应情况，其中在高频段布设刚性阻振质量仍使得基座面板的振动加速度级明显下降，但随着频率的增大，加阻振质量基座的响应曲线有高于原基座对应曲线的趋势，这说明布设刚性阻振质量后，基座板结构的振动有加强的趋势。

为综合考察布设刚性阻振质量后，基座舱段耐压壳体在0～1 000 Hz频段总的振动情况，对耐压壳体上所取的15个结构测点的响应值按下式取平均声振动级：

式中，Lai为按1／3倍频程由所有频谱分量的加速度响应值转化的振动加速度级［8］；Lai=20 log ai／a0；ai为按倍频程测得的频谱分量的加速度响应值；a0为振动加速度基准值，本文取a0=1×10-6m／s2。所得结果如图9所示。

图9 耐压壳体上各测点平均加速度幅频响应曲线

从图9可见，在基座腹板上布设刚性阻振质量使曲线的峰完全偏离开原基座结构形式。在500 Hz以上范围内，加刚性阻振质量基座舱段耐压壳体振动加速度级明显低于原基座结构情形，但两种情形下耐压壳体振动加速度级随激振力频率变化曲线的变化趋势基本一致；在500 Hz以下范围内，两种情形对应曲线相互交错，变化趋势复杂。从总体上来看，布设刚性阻振质量后，耐压壳体振动加速度级相对于原基座结构有所下降，但主要集中在中高频段，同时，布设阻振质量将使得加速度级曲线的峰明显减少。这说明刚性阻振质量对中高频结构噪声会起到明显的隔离作用，而对低频结构噪声则几乎不起作用。

根据结构噪声评价标准，如果用与噪声级类似的表示方法——加速度分贝来描述振动级，则振动“加速度分贝”表示形式为：

式中，a1表示原基座的结构响应加速度；a2表示布设刚性阻振质量基座的结构响应加速度。

将所有频谱分量的加速度传递函数响应值相加，并按式（3）得出各测点的分贝值，取有无刚性阻振质量两种情况，计算得到各测点的减振功率级如表1所示。

表1 各测点减振效果功率级列表

由表1可以看出，当布设刚性阻振质量后，基座舱段耐压壳体振动级的加速度分贝值平均下降了5.65 dB，而基座面板的振动水平有所上升。

5 结 论

基于阻抗失配原理，本文从理论和数值两个方面研究了刚性阻振质量应用于舰船基座结构以及对基座结构隔振性能的影响。通过对比分析主要得到以下结论：

1）隔振结构的隔声量存在全透射频率与全隔离频率，在全透射频率处，刚性阻振质量无减振效果，在全隔离频率处，阻振质量减振效果最佳；

2）对于中高频段结构噪声，刚性阻振质量起到了明显的隔振作用，而对于低频段结构噪声，阻振质量的减振效果不明显，甚至没有减振效果；

3）刚性阻振质量反射了振动波，对基座舱段耐压壳体产生了明显的隔振效果，而基座板结构的振动有加强的趋势；

4）在基座腹板上布设刚性阻振质量带后，基座舱段耐压壳体的振动噪声平均下降了。

［1］ CREMER L，HECKL M，UNGAR E E.Structure－b orne Sound［M］.Second edition.Berlin：Springer－Verlag，1988.

［2］ ЛЯЛУНОЬ В Т，НLКLФОРОВ А С.ВиброизоляциЯ в судовыхконструкциЯх［J］.Л： Судостроение，1975.

［3］ 刘见华，金咸定.阻振质量阻抑结构声的传递［J］.上海交通大学学报，2003，37（8）：1201－1204.

［4］ 石勇，朱锡，胡忠平.方钢刚性减振结构对组合板振动影响的计算分析［J］.海军工程大学学报，2003，15（2）：45－49.

［5］ 石勇，朱锡，刘润泉.方钢隔振结构对结构噪声隔离作用的理论分析与试验［J］.中国造船，2004，45（2）： 36－42.

［6］ 欧大生，易太连，马茂.动力机械刚性阻振技术研究［J］.武汉理工大学学报，2005，29（6）：869－872.

［7］ 尼基福罗夫.船体结构声学设计［M］.谢信，王轲，等译.北京：国防工业出版社，1998.

［8］ NORTON M P.工程噪声和振动分析基础［M］.盛元生，顾伟豪，韩建民，等译.北京：航空工业出版社，1993.

Application Research on Rigid Vibration Isolation M ass in Ship Pedestal Design

Yao Xiong－liang Wang Qiang－yong Sun Ming Pang Fu－zhen
College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

On the principle of impedance mismatching， the performance that rigid vibration isolation mass impedes vibration wave propagation wa s researched.Rigid vibration absorber which means adding rigid vibration isolation mass at the region ship pedestal connected with the ship structure wa s brought in ship elastic pedestal.Based on FEM， the vibration propagation characteristics of the pressure hull aswell as pedestal plates were studied through numerical simulation.The results show that， for medium－high frequency structure noise，such mass can effectively reduce the vibration and sound radiation of the pressure hull， while in low frequency， vibration isolation effect of themass is not so obvious.The results can be used for reference to rigid vibration isolationmass applying to the vibration and noise reduction of ship structure.

rigid vibration isolationmass； ship pedestal； impedancemismatch； vibration and noise reduction

U661.44

A

1673－3185（2010）03－08－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.03.002

2009-10-29

国防重点预研项目（40×××××××××01）

姚熊亮（1963－），男，教授，博士生导师。研究方向：船舶与海洋工程结构物动力学。E-mail：saibei8411＠163.com

王强勇（1985－），男，硕士研究生。研究方向：船舶与海洋工程结构物动力学。E-mail：wangqiangyong666＠163.com