船体基座结构的阻振技术研究

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(江苏科技大学 振动噪声研究所，江苏 镇江 212003)

结构中材料属性突变、截面积突变、转角与加强肋等不连续因素的存在都会使弹性波在传播过程中发生反射现象，从而起到隔离一部分弹性波传播的作用[1]。此类研究较多，且具有积极意义[2-6]。都结构中阻振质量阻振性能的研究方法有波动法[7]、有限元法(FEM)[8-9]、统计能量法(SEA)和FE-SEA混合法[10]等。基于理论分析的波动法适合于分析简单结构的质量阻振问题；FEM随着分析频率的提高，为了满足每个波长内多个单元的原则，使得网格急剧增加，计算成本加大，计算误差增加，适合于分析阻振结构的低频振动特性；基于统计性分析的SEA法，难以准确描述阻振质量的详细结构特征，适合于分析阻振结构的高频振动特性；FE-SEA混合法用统计能量法描述模态密度密集的子结构，用有限元法描述刚度大、固有频率高的子结构，是复杂结构中高频声振性能分析的重要方法[11]。由于阻振质量、基座结构和板壳结构之间的模态密度存在较大差异，尤其当结构较为复杂时，采用波动法分析较为困难，单一使用FEM或SEA所建立的模型也不能用于宽频范围的振动特性分析。本文采用FE-SEA混合法研究基座结构振动传递的复合阻振减振降噪效果。

1 板结构对弯曲波传递的阻抑特性

振动波沿结构传递途中遇到具有隔离作用的自然障碍，如板或杆铰支承、结构接头和加强筋等，可对结构声的传递起到阻抑作用[12]。在舰船结构声学设计中设置阻振质量块就是源于这一思路。阻振质量块是一个大而重的条体，沿着振动波传递途径设置在板结构结合处，用以隔离结构声的传播。在平板结构和L形结构中插入阻振质量,见图1。

图1 阻振质量结构示意

在无限大平板结构中插入刚性阻振质量，基于Poisson-Kirchhoff薄板假设，利用波动法可推导出平面垂直入射弯曲波的透射系数

(1)

其中：m——单位长度阻振质量的质量；

m′——单位面积板的质量；

Θ——阻振质量m的质量惯性矩；

λb——薄板中传播的弯曲波波长。

透射系数通常情况下为复数，是振动频率的函数。

在工程中更关心振动能量的传递，因此在弯曲波入射情况下，通常采用能量传递效率表征各种形式的波占入射能量的比例，定义透射效率为

τ=χψ|t|2

(2)

其中：k1、k2——薄板1、2中的弯曲波波数；

B1、B2——薄板1、2中的弯曲刚度。

透射效率越低，阻振效果越好。

在结构转角处布置刚性阻振质量，可以有效增大结构的阻抗失配程度，从而显著隔离振动波的传递。在L型薄板结构中插入刚性阻振质量后，对弯曲波的透射效率为

(3)

式中：t2——转角处透射系数。

在无限大平板中，对于相同材料、不同板厚比(方形实心阻振质量与板厚度的比值)，基于波动法计算得到的阻振质量透射效率，见图2。

图2 平板结构实心阻振质量的透射效率

结果显示，阻振质量相当于一个“低通滤波器”，对低频振动波几乎没有阻振效果，对高频振动的阻振效果较好，在全隔离频率处(τ=0时)，阻振质量的阻振效果最佳。随着板厚度比的增加，阻振质量的透射效率向低频移动，即板厚比越大，阻振质量的有效阻振频率越低，阻振效果越好。

2 基座结构的质量阻振技术

研究对象为水下双层加筋圆柱壳体结构，其外径2.7 m，内径2.3 m，长度4.0 m，含20个等间距肋位，壁厚10 mm，两端带板筋舱壁结构。在圆柱壳体结构13～17肋位处底部安装基座结构，基座结构长745 mm、宽200 mm、高300 mm，面板厚9 mm、5块肘板和1块腹板厚5 mm，材料为碳钢。为减少动力机械设备激励基座面板时传递到圆柱壳体外部的振动，降低圆柱壳体的水下辐射噪声，分别在基座腹板的底部插入以下两种碳钢阻振质量：截面尺寸60 mm×60 mm的实心阻振质量或截面尺寸60 mm×60 mm、壁厚5 mm的空心阻振质量(质量为前者的1/3)，见图3。

图3 插入空心阻振质量示意

为了研究基座至圆柱壳体表面宽频范围的振动传递及声辐射特性，采用FE-SEA混合法建立双层圆柱壳体的振动传递特性分析模型。将具有较大刚度、模态稀疏的基座面板、腹板、肘板和阻振质量采用FEM建模，划分为162个Shell单元；将模态较为密集的圆柱内壳体、外壳体、舱壁和环肋等大型薄壳结构采用SEA建模，划分为206个子系统。

将圆柱壳体结构模型置于空气中，开展基座至壳体表面的振动传递特性实验[13]。实验时激励加载在基座面板上，测试圆柱壳体表面的振动加速度，图4为基座至圆柱壳体表面6号肋位顶部位置的振动传递函数(基准值为10-6)对比。在50～5 000 Hz宽频范围内，FE-SEA混合法仿真与实验结果的传递函数合成值分别为125.1、123.2 dB，仿真误差仅为1.9 dB。由于振动传递函数主要取决于圆柱壳体模型的振动模态参数，说明所建立的FE-SEA混合模型与实际结构的动态特性较为一致，可用于分析基座结构参数对振动传递特性的影响。假设圆柱壳体结构内部为空气，双层壳体之间及外壳四周介质为海水，其边界条件为自由状态。在基座上安装的动力设备为某型柴油机，在转速为1 000、2 000和2 500 r/min时的激励力特性见图5，主要扰动频率分布在1～2 kHz中频和50～125 Hz低频范围。

图4 基座至圆柱壳体的振动传递函数

图5 某型柴油机的激励力频谱图

为对比阻振质量结构对基座振动传递的影响，在基座腹板底部分别插入实心、空心阻振质量时，仿真对比柴油机激励作用下的阻振效果。在柴油机转速为2 500 r/min时的激励作用下，圆柱壳体产生的水下辐射声功率峰值出现在2 kHz频率处，见图6；阻振质量具有阻振效果的起始频率为125 Hz；在1.25 kHz频率处，实心、空心阻振质量的阻振效果分别为8.6、9.1 dB，空心阻振质量在4 kHz频率处的阻振效果最大为15.9 dB；在无阻振、插入实心或空心阻振质量时，圆柱壳体产生的水下辐射声功率分别为124.0、122.3和121.3 dB，插入实心或空心阻振质量的阻振效果分别为1.7、2.7 dB。

图6 基座阻振后圆柱壳体的辐射声功率

因此，对于文中研究的结构模型，在基座腹板底部插入空心阻振质量比实心阻振质量的阻振效果更好，且增加的附加质量更少。其原因是，基座腹板作为基座振动传递的主要路径，由基座面板经腹板传递的入射弯曲波在空心阻振质量处，需要经过多个转角的波形转换，再将振动传递到圆柱壳体上，导致在基座腹板与圆柱壳体连接处结构的阻抗失配加剧，阻振质量的阻振效果提高。

3 基座结构的阻尼减振技术

在基座结构上粘贴粘弹性阻尼材料，可以利用粘弹性材料的应力应变滞后效应消耗结构的振动能量，达到减振降噪的目的。丁基橡胶阻尼材料具有较好的耐水、耐油及抗老化性，以及良好的机械加工性能等优点。丁基橡胶的异丁烯单体分子含两个甲基，聚合后分子链含有许多侧甲基，弹性滞后较大，阻尼效果明显。该材料在常温下100 Hz时的弹性模量为48.4 MPa，损耗因子为0.6；在500 Hz以上频率，弹性模量随着频率迅速增加；在1 000 Hz时的弹性模量为94.4 MPa，损耗因子为0.8[14]。近年来，以丁基橡胶为主要原材料研发的复合阻尼胶板，是一种具有发展前景的阻尼减振材料。

为研究丁基橡胶阻尼对基座结构的减振效果，在基座的面板、腹板和肘板结构上分别粘贴5、10 mm厚阻尼层(与腹板和肘板的厚度比为1和2)。在柴油机转速为2 500 r/min时的激励作用下，圆柱壳体产生的水下辐射声功率级频谱见图7。

图7 阻尼处理时圆柱壳体的辐射声功率级频谱

在50～5 000 Hz宽频率范围，阻尼材料对基座结构具有0.5 dB以上的减振降噪效果；在频率为1.25 kHz处，5、10 mm厚阻尼层的降噪效果最大，分别为12.5、13.4 dB；在无阻尼层、粘贴5 mm厚、10 mm厚阻尼层时，圆柱壳体产生的水下辐射声功率级分别为124.0、117.8和116.6 dB，粘贴5 mm厚、10 mm厚阻尼层的降噪效果分别为6.2、7.4 dB。因此，从节约阻尼材料和提高降噪效果的角度来看，在基座表面粘贴阻尼层存在较佳的厚度比，粘贴过厚的阻尼材料，对提高减振降噪效果作用不明显。

4 基座结构的复合阻振技术

阻振的实质是在振源与系统之间附加一个子系统，通过减少阻振质量后端透射区结构的能量来抑制振动的传播，从能量观点来看，阻振质量前端反射区结构的振动必然会增加。在基座结构质量阻振和阻尼减振性能分析的基础上，设计了对基座结构采用空心质量阻振与阻尼减振相结合的复合阻振方案。复合阻振的基本思想是：通过阻振质量将来自基座面板的振动能量阻挡或限制在基座结构局部区域内，使位于阻振质量反射区基座结构自身的振动幅度增加，通过增加粘弹性材料的拉伸、弯曲变形来提高对振动波能量的损耗，从而提高对基座结构的阻尼减振效果，实现在结构振动传递途径中的复合阻振。

对基座结构的复合阻振方案为，在基座腹板底部插入空心阻振质量、基座表面粘贴5 mm厚丁基橡胶阻尼层，图8为复合阻振后圆柱壳体产生的水下辐射声功率级频谱图，表1为圆柱壳体结构的水下辐射声功率降噪效果。相对于阻振处理前圆柱壳体结构的水下辐射声功率，复合阻振在125 Hz以上频率的降噪效果在1 dB以上，最大降噪效果出现在1.25 kHz处为14.5 dB；对水下辐射声功率峰值2 kHz处的降噪效果为6.2 dB；在柴油机转速分别为1 000、2 000和2 500 r/min时，质量阻振对圆柱壳体水下辐射声功率的降噪效果在2 dB以上，阻尼减振的降噪效果在6 dB以上，而复合阻振的降噪效果分别为7.3、7.7和7.5 dB。因此，对基座结构采用空心质量阻振与阻尼减振的复合阻振技术，减振降噪效果较单独刚性阻振和阻尼减振明显提高，且附加质量少，节省材料，较传统的刚性阻振、阻尼减振技术具有一定优势。

图8 复合阻振后圆柱壳体的辐射声功率级频谱图

柴油机转速/(r·min-1)处理前/dB质量阻振/dB阻尼减振/dB复合阻振/dB声功率级1 000115.8113.8109.7108.52 000120.1117.6113.7112.42 500124.0121.7117.8116.5降噪量1 0002.06.17.32 0002.56.47.72 5002.36.27.5

5 结论

对基座结构采用空心质量阻振技术，利用振动传递路径中多个转角的波形转换，可增加结构的阻抗失配，实现比传统刚性阻振设计更好的阻振效果，且附加质量减少。

阻尼层厚度比为2比厚度比为1的降噪量提高不明显，从经济和降噪效果两方面综合考虑，一般认为厚度比为1可以使阻尼材料发挥优良的降噪效果；双层圆柱壳体在某型柴油机激励下，对水下辐射声功率的降噪效果达到6 dB以上。

文中提出的对基座结构采用空心质量阻振与阻尼减振相结合的复合阻振设计，采用FE-SEA混合法的仿真结果表明，对双层圆柱壳体的降噪效果达到7dB以上，相对于以往在结构上大面积敷设阻尼材料及单独使用刚性质量阻振设计，减振降噪效果提高。文中提出的复合阻振设计技术有待进一步的实验验证。

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