典型舰船循环水系统管路振动特性

舒礼伟

( 海军装备部，北京100841)

0 引 言

潜艇中存在众多的管路系统，管路中的介质在管路源设备的作用下沿管路传输过程中会产生振动和噪声。当激振力的频率与管路系统的某一阶固有频率相近时，则管路系统发生对应于该频率的共振，使管道做强烈的机械振动。振动和噪声通过马脚、穿舱件、空气介质等途径传递至艇体，在各设备之间起着“声桥”作用［1－4］。管路系统产生的振动和辐射噪声是合成潜艇噪声的来源之一，它直接影响潜艇隐蔽性［5－7］。

本文以典型舰船循环水系统的管路模型为研究对象，通过合理的模型简化，借助有限元软件Anasys分析该管路系统的固有频率及相应振型;分析管内介质、管路支座布置间距等工艺参数对其固有频率的影响规律。在此基础上，开展循环水泵激励下的管路系统动力响应计算，分析管路进出阀门、法兰等关键位置的动态位移，为管路系统低噪声建造工艺提供理论依据。

1 循环水系统管路分析模型

图1 给出了循环水系统管路的有限元模型，管路系统中管路尺寸有3 种，分别为φ340 ×16，φ140×8，φ90 ×6。管路材料密度为8 600 kg/m3，弹性模量为1.15E11 Pa，泊松比为0.33。管内介质为水，密度为1 000 kg/m3。模型采用梁单元建立，以质量点的形式模拟法兰阀门等管路配件。对于循环水泵、冷凝器以及滑油冷却器采用Solid45 进行实体建模［8－9］。

图1 循环水系统管路模型Fig.1 Sketch of hull circulation water system

图2 循环水泵与阀架连接示意图Fig.2 The connection of water pump with hull structure

有限元模型中采用弹簧阻尼单元模拟挠性接管的刚度及阻尼，图2 给出了循环水泵与阀架连接示意图，循环水泵通过8个BE400 型减振器连接至L 型阀架上，过弹簧单元来模拟减振器的刚度及阻尼［10］。图3 中给出了挠性接管的局部模型。

图3 挠性接管模型Fig.3 Sketch of flexible connector

图4 质量点模拟阀门Fig.4 Sketch of valve with mass element

2 工艺参数对管路模态的影响分析

表1 管内不同介质管路固有频率对比/HzTab.1 The pipe natural frequencies with different liquid mediators/Hz

计算结果表明:管路内介质为滑油时，其前几阶固有频率较水管路增大约3%。当管路为蒸汽管路或排风管路时，其固有频率较充液管路明显增大，且对前四阶固有频率影响较为显著。由此表明，在数值计算管路系统固有频率时，必须充分考虑管内介质的影响。

图5 给出了循环水管路系统的前八阶振型。

图5 循环水管路系统的振型Fig.5 The modal shape of circulation water system

如图5所示:一阶、三阶振型表现为冷凝器管路的变形模式;二阶、四阶振型表现为滑油冷却器附件管路的变形模式;五阶振型表现为冷凝器支管管路与滑油冷却器管路的变形模式;高阶振型仍表现为滑油冷却器附件管路的变形模式。

当管路充油或充气时，各阶固有频率较充水管路升高，但对应各阶振型的变形模式无显著变化，这里不在赘述。

下面探索管路支座间距对循环水管路系统固有频率的影响规律。

表2 不同管路支座间距下管路固有频率对比/HzTab.2 The pipe natural frequencies with fixed bearing spacing/Hz

如表2所示:循环水管路系统的各阶固有频率随着固定支座间距的减小显著增大，且高阶固有频率增幅更能为显著。

图6 给出了循环水管路系统管路支座间距为1m时的前六阶振型。

图6 管路支座间距变小后循环水管路系统振型Fig.6 The modal shape of circulation water system with short fixed bearing spacing

如图6所示:循环水管路系统的各阶固有频率随着固定支座间距的减小显著增大，且各阶振型亦发生改变。一阶、二阶振型表现为冷凝器管路的变形模式，其余各阶振型均为滑油冷却器附件管路的变形模式。

3 设备工作时管路系统动力响应分析

在循环水系统管路模态分析基础上，下面开展循环水管路系统在水泵、辅冷凝器、滑油冷却器联合激励下的管路系统动力响应计算，分析管路进出阀门、法兰等关键位置的动态位移。

葬礼完毕，客人渐渐散去。蒋浩德从水家出来时，紫云出现在他面前。她似乎嗅到了什么，给他抛个媚眼，甜甜地说：“蒋伯好，好久不见啊，您的身体还是这样硬朗！”

图7 给出了循环水管路系统典型测点布置位置。其中测点1 为滑油冷却器附近直管测点，测点2 为冷凝器附近直管测点，测点3 为循环水泵附近管路测点。图8 给出了循环水管路系统典型管路测点处振动加速度级曲线。图9 给出了循环水管路系统各挠性接管及阀门出口处的测点布置位置。图10 给出了循环水管路系统在设备激励下各挠性接管及阀门出口处的振动加速度计曲线。

图7 循环水管路系统典型测点布置位置Fig.7 Sketch of typical pipe measuring points

图8 循环水管路系统典型管路测点处振动加速度级曲线Fig.8 The curves of vibration acceleration level of typical pipe measuring points

图9 管路系统挠性接管及阀门测点布置位置Fig.9 Sketch of flexible connector and valve measuring points

图10 管路系统挠性接管及阀门出口处振动加速度级曲线Fig.10 The curves of vibration acceleration level of flexible connector and valve measuring points

如图10所示，挠性接管出口1 及阀门出口1 处中高频振动加速度级幅值较大，应采取合理的减振降噪措施。

图11 给出了水管路系统弯管及三通管处的测点布置位置。图12 给出了循环水管路系统弯管及三通管处振动加速度级曲线。

图11 管路系统弯管及三通测点布置位置Fig.11 Sketch of three-limb tube measuring points

图12 管路系统弯管及三通管处振动加速度级曲线Fig.12 The curves of vibration acceleration level of three-limb tube measuring points

如图12所示:弯管1 处在100 Hz 以上频段振动响应剧烈。结合图8、图10和图12 可以看出，循环水管路系统在滑油冷却器附近管路振动响应较为剧烈，应采用相应的减振降噪措施。

4 结 语

本文借助有限元软件分析循环水系统的管路模型的固有频率及相应振型，开展了循环水泵激励下的管路系统动力响应分析。主要结论如下:

1)针对循环水管路系统而言，若不考虑管内介质将导致管路各阶固有频率显著增大，因此在数值计算管路系统固有频率时必须充分考虑管内介质的影响。

2)循环水管路系统一阶、三阶振型表现为辅冷凝器管路的变形模式;二阶、四阶振型表现为滑油冷却器附件管路的变形模式;五阶振型表现为辅冷凝器支管管路与滑油冷却器管路的变形模式;高阶振型仍表现为滑油冷却器附件管路的变形模式。

3)循环水管路系统的各阶固有频率随着固定支座间距的减小显著增大，且高阶固有频率增幅更显著。

4)循环水管路系统在滑油冷却器附近管路振动响应较为剧烈，应采用相应的减振降噪措施。

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