舰船管路阀组单元振动特性分析及结构参数优化研究

杨 波，朱 翔，张赣波

1 海军驻广州广船国际股份有限公司军事代表室，广东广州510382

2 华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉430074

0 引 言

在机械噪声得到有效控制后，管路系统便成为舰船重要的振动噪声源［1-2］，大量文献针对管路系统的振动与噪声问题开展过研究［3-4］，在管路系统中已采取多种措施降低管路的振动与噪声，比如管路弹性穿舱件［5］、挠性接管［6-7］和海水消声器［8］等。泵［9-10］和阀门［11-12］作为管路中必不可少的元件，也是管路系统中主要的激励源之一。舰船结构上的管路复杂，有些区域为便于制造安装，会将一系列类似的管路阀门组成一组，形成阀组单元并安装在同一个阀组架上，然后阀组架再与船体结构相连。流体流经阀门时，会激励阀门及管路阀架，并将振动通过阀组架传递给船体结构。阀组单元的结构形式直接决定了阀组单元的声振特性。现在某液压海水管路系统中，由于阀组单元振动过大，振级偏高，因此需要对其振动特性进行分析，并通过仿真对阀组架的主要结构参数进行优化，以降低通过阀组单元传递到船体上的声振动，为舰船减振降噪提供有益的借鉴。

1 阀组单元有限元建模及振动响应计算

1.1 阀组单元有限元建模

在有限元软件ANSYS 中建立阀组单元的有限元模型。在阀组单元中，采用SOLID45 实体单元模拟阀，并在建模过程中对其进行适当简化。考虑到建模的一致性，固定和支撑阀的阀组架也采用SOLID45 实体单元模拟。图1 给出了阀组的有限元模型，阀组架上有5 个阀，其中连接阀的管路未建出。阀组架一般为角钢焊接而成的框架结构，阀则通过夹环固定在阀组架上并与管路联通。阀组架焊接在船体舷侧结构上，建模时，假设阀组架的边界为固支边界条件。初始阀组单元的结构尺寸为：阀架臂长H = 0.60 m，阀间距L =0.16 m，角钢尺寸规格为50 mm ×50 mm ×4 mm。

图1 阀组单元有限元模型Fig.1 FE model of pipeline valve units

1.2 阀组单元振动响应计算

在实际管路系统中，阀的激励源特性往往比较复杂，作为仿真计算和方案对比分析，对振动激励进行了必要的简化。假设激励力为单位大小，方向分别为水平和垂直方向，如图2 所示。

图2 施加激励力方向Fig.2 Direction of applied load

在阀组架上选取5 个测点用于振动响应的评估，如图3 所示。其中测点1，5 是阀组架与船体舷侧结构连接处阀架的折边角点，测点2，3，4 分布在阀组架上。因为传递到船体的振动对船舶的振动与噪声更为重要，因此，以测点1，5 的振级为主要指标，辅之比较测点2，3，4 的振级。

图3 测点示意图Fig.3 Arrangement plan of measured point

在3 个阀上分别施加垂直和水平方向的激励力，得到各测点在各个方向的合成振动加速度级，激励频率范围为10～1 000 Hz，然后，再对此频段内的振级进行能量求和，得到频带内的总振级。

计算得到了原始阀组单元在1 号、2 号和3 号阀的垂直与水平方向激励下振动的加速度级，如表1 所示。

表1 初始阀组单元各测点振级Tab.1 Vibration levels of every measured points in original valve units

由表1 可以看出，初始阀组单元各测点的振级都偏高。以计算出的原始阀组声振性能为参考，可以通过改变阀组单元的结构参数来改善阀组单元的声振特性。

2 阀组单元结构参数优化分析

根据实际情况可知，阀组单元可改变的主要结构参数包括阀架臂长、阀的布置间距和阀架角钢型号。现通过改变阀组单元的阀架臂长、阀的布置间距和阀架角钢型号三组结构参数，研究这些参数变化对阀组单元声振性能的影响来选出振级较小的阀组单元结构参数。

2.1 阀架臂长对阀组单元声振性能的影响

阀组架近似为悬臂梁结构，在很小的激励作用下也会产生较大的振幅。对于悬臂梁结构，臂长是影响结构振动特性的主要参数，故有必要研究不同阀组架臂长对结构声振特性的影响，选出合适的阀组架臂长尺寸。

根据实际的空间布置情况，选择H = 0.50，0.55，0.60，0.65，0.70 m 这5个尺寸作为研究对象，计算得到各测点在不同位置和方向激励下的振动加速度级。图4 给出了在其他结构尺寸参数不变的情况下，阀架臂长变化时各测点的振级。

图4 改变阀架臂长时各测点振级Fig.4 Vibration level of measured points with the change of length of valve unit’s frame

从图中可以发现，当阀架臂长H =0.55 m 时，各测点的振级相对最小。在其他结构尺寸参数不变（阀间距0.16 m，角钢尺寸规格50 mm × 50 mm×4 mm）的情况下，可选用0.55 m 的阀架臂长作为优化尺寸。

限于篇幅，仅给出了在1 号阀位置进行垂向激励的情况，其他位置和方向激励的结果类似。

2.2 阀布置间距对阀组单元声振性能的影响

在实际工程中，阀间距的选择具有很大的随意性。在有限的布置空间内，施工人员按照阀的最小间距比，并考虑方便操作以及美观等因素来进行阀的安装，阀的安装间距主要由施工人员的经验决定。因此，研究不同阀间距对阀组单元的声振性能影响是很有必要的。为此，选用了L =0.16，0.18，0.20，0.22，0.24 m 这5 个阀间距作为研究对象。图5 给出了在其他结构尺寸参数不变时，阀间距变化时各测点的振级结果。

图5 改变阀组间距时各测点振级Fig.5 Vibration level of measured points with the change of valves’distance

综合比较可知，当阀间距L = 0.18 m 时，各测点的振级相对最小。在其他结构尺寸参数不变（阀架臂长0.60 m，角钢尺寸规格50 mm ×50 mm×4 mm）的情况下，可选用0.18 m 作为优化的阀间距。

2.3 阀架角钢尺寸规格对阀组单元声振性能的影响

阀组架刚度在很大程度上会影响阀组单元的声振性能，而制造阀组架的角钢尺寸规格则直接影响阀组架的刚度。因此，需要研究阀组架角钢尺寸规格对阀组单元声振特性的影响。

根据实际常用的角钢型号，选用40 mm × 40 mm × 4 mm，45 mm × 45 mm × 4 mm，50 mm × 50 mm × 4 mm，56 mm × 56 mm × 4mm 和63 mm × 63 mm × 4 mm 这5 种尺寸规格的角钢材料作为研究对象，计算得到各测点在1，2，3 号阀的垂直与水平方向激励下的振动加速度级。图6 给出了在其他结构尺寸参数不变时，阀组架角钢尺寸变化时各测点的振级。

图6 改变角钢尺寸时各测点振级Fig.6 Vibration level of measured points with the changing of the beam size

由图6 可以发现，在其他结构参数不变（阀架臂长0.60 m，阀间距0.16 m）的情况下，阀组架角钢尺寸的变化没有其他2 种参数变化时对声振特性的影响大。综合比较可见，型号为40 mm×40 mm×4 mm 的角钢尺寸规格使得结构的振级最小。

2.4 组合结构优化参数对阀组单元声振性能的影响

上述分析都只是改变阀组单元结构的一个尺寸参数，还需要分析各尺寸参数变化对阀组单元声振性能的综合影响。综合以上分析，给出了4种不同的组合结构参数，如表2 所示。

表2 阀组单元组合变化方案列表Tab.2 Cases of valve unit frame with different parameters

对组合参数的阀组单元进行计算，得到了各测点振级。图7 所示为在组合参数情况下的各测点振级。因测点1，5 在阀架与船体结构连接处，阀组单元的振动会通过阀架传递到船体上，故侧重比较测点1，5 的振级。综合比较可以看出，第4种组合方案中，阀组单元测点1，5 的振级均为最小。组合方案4 中，各测点的振级比原始方案均至少低10 dB，靠近船体的测点1，5 的振级甚至比原始方案低30 dB。故选择阀架臂长H = 0.55 m，阀间距L = 0.18 m，阀架角钢尺寸规格40 mm ×40 mm ×4 mm 为阀组单元的综合结构优化参数。

图7 不同组合方案时各测点振级Fig.7 Vibration level of measured points in different cases

3 结 论

通过以上分别对阀架臂长、阀布置间距以及阀架角钢尺寸等参数变化对阀组单元声振特性影响的分析，可得到以下结论：

1）在各种不同位置激励时，无论是改变阀架臂长、阀布置间距还是阀架角钢尺寸，阀组模型均为：在阀组架与船体结构相连的附近，其测点（测点1，5）振级最小；在激励点附近（测点3）和阀架的悬臂处（测点2，4），振级相对较大。这表明阀组单元振动能量的传递路径为阀—阀架—船体结构，这与理论分析相吻合。

2）通过单独改变阀架臂长参数、阀的间距和阀架角钢尺寸均可以发现，测点振级随单一参数改变而引起的变化趋势并非为单调变化，这是由于改变这些参数后，整个阀组架这一连续系统固有的频率和刚度均有变化，其声振特性与阀架臂长等参数间的影响规律很复杂，无法得出阀组振级与参数间的单一变化规律。

3）从测点总振级随阀架臂长变化的曲线可见，阀架的振级对阀架臂长的变化较为敏感，臂长参数的改变可能会引起阀架振级的显著变化。与阀架臂长改变引起测点振级变化的敏感程度相比，阀组间距随步长的变化以及阀组角钢尺寸变化所引起的同一测点总振级的变化则不是特别明显。

4）在加工制造管路阀组架时，对阀架臂长的确定需更为慎重。首先，可以通过调整合适的阀架臂长得到振动相对较优的阀架结构，然后，再进一步改变阀组间距和角钢尺寸，得到更为优化的阀组架。

5）从选取的几种组合结构优化参数计算结果来看，方案4（阀架臂长0.55 m，阀间距0.18 m，阀架角钢尺寸规格为40 mm × 40 mm × 4 mm）在典型测点的振级均比其他各方案的小，比原始方案至少小10 dB，这组参数可以作为该管路阀组的结构优化参数。相关的结论可以在模拟试验台架中进行验证。该方法也可以用于其他类似的阀组结构参数设计，以提高低噪声建造的工艺水平。

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