基于ADAMS建模的浮筏隔振系统仿真研究

季夏名

摘 要：利用ADAMS软件与有限元软件相结合，建立刚柔耦合浮筏隔振系统模型。文章以功率流作为浮筏隔振系统的性能评价指标，研究了该模型在不同参数条件下的隔振性能，并与理论仿真结果进行对比分析，验证了模型的可靠性。对于构建复杂筏架的浮筏系统有一定的参考价值。

关键词：刚柔耦合；浮筏隔振系统；功率流；建模

引言

目前，浮筏隔振系统已经成为舰船动力设备的重要隔振手段，它与一般的隔振系统相比更能节省空间和中间质量，同时结构更加紧凑，此外浮筏隔振系统具有优良的减振降噪效果，从而有效地增强水下舰艇的隐蔽性与舒适度。对于浮筏隔振装置的理论与试验研究是近年来隔振领域的研究热点之一[1-4]。浮筏是将包括主机在内的多台重型设备安装在同一筏架上，因而它是具有多个激励源的隔振系统，其筏架及基础板的载重大，几何尺寸也较大，要真实反映出浮筏隔振系统的动力学特性，刚柔耦合分析必不可少。同时作为一个复杂的三维结构，其隔振效果的评估方法也需要进一步研究。

振动的传递主要就是能量的传递，从能量角度研究振动问题更能反映问题的本质。功率流作为一个反映能量的物理量，可以作为一个综合性能指标，它兼顾了力和速度的信息，给出了振动传递的一个绝对度量的物理量。对于浮筏系统的设计具有更有利的指导意义。

同时，由于舰船隔振系统较为大型，想要进行实验研究比较困难，成本昂贵，所以在理论设计阶段既需要理论分析，又要进行相关的软件仿真，从而实现验证理论解和降低实验成本的目标。对于浮筏系统的仿真研究以Patran等有限元软件和Autosea统计能量软件为主，但大量的研究证明[5-7]：一方面，有限元方法主要针对单独结构中的静力和动力学问题，无法满足多体刚柔耦合系统的建模分析要求；另一方面，有限元方法适用于低频段，统计能量法适用于高频段，可是没有统一的方法能够对中间频段进行研究分析。因此，本文考虑通过ADAMS软件与有限元软件结合，建立刚柔耦合浮筏隔振系统模型，以功率流为评价指标计算不同参数条件下的振动特性，并将仿真结果与理论解进行对比分析。

1 浮筏隔振系统动力學模型及其功率流导出

对于工程中常见的浮筏隔振装置，其模型如图1所示，包括两台机组、梁式筏架以及四边简支的弹性基础，两个刚性机组分别通过两个上层隔振器安装在弹性筏架上，然后筏架再通过两个下层隔振器安装在弹性基础上。可以将整个浮筏隔振系统分为5个子系统，分别为（ⅰ）机组子系统A，（ⅱ）上层隔振器B，（ⅲ）中间筏架子系统C，（ⅳ）下层隔振器D，（ⅴ）基础子系统E。两台机组分别受到来自y方向和z方向的简谐激励力以及x方向的倾覆力矩作用。

图1 浮筏隔振系统动力学模型

图2 各子系统之间力与速度的传递关系

用 分别表示各个子系统A，B，C，D的上、下端输入输出力，而 分别对应了他们上下端的输入输出速度。对应弹性基础E受到的力与响应速度分别记为FE和VE。 分别为各子系统的导纳传递矩阵元素。图2表示了各子系统之间力与速度的传递关系。各子系统导纳矩阵推导过程详见文献[8，9]。

浮筏隔振系统各子系统之间的传递力以及相应的速度之间的关系如下：

根据上式以及各子系统导纳矩阵相关表达式，可以得到各交接处力与速度有关于外激励的表达式为

其中

输入各子系统的功率流PA，PB，PC，PD，PE分别可以表示为

式中，上标H表示共轭转置。

2 基于刚柔耦合浮筏隔振系统建模

该模型是在ADAMS/View模块中建立的，它是ADAMS核心模块之一。用户可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚拟样机，而后对其进行模拟仿真，并能以动画形式观察主要的数据变化以及模型的运动，就像做实际的机械系统试验一样。

图3 浮筏隔振系统ADAMS模型

如图3所示，其中柔性基础简化为四边简支的板，而筏架为四边自由的柔性板。隔振器简化为弹簧阻尼器，其弹簧刚度与阻尼系数可以通过编写函数来确定，能很方便的实现隔振器的线性与非线性特性。

在ADAMS中对柔性体的处理采用了有限元法与模态分析法相结合的方法。先由有限元软件ansys对柔性体进行模态分析，生成.mnf文件，利用ADAMS/Flex模块将此文件调入ADAMS中以生成模型中的柔性体，利用模态叠加法计算其在动力学仿真过程中的变形及连接节点上的受力情况，这样可以在机械系统的动力学模型中引入柔性体，提高系统仿真精度。

ADAMS软件中带有振动分析模块ADAMS/Vibration，利用该模块，可以对模型进行频域分析。

3 浮筏隔振系统计算及仿真分析

建立ADAMS浮筏隔振系统虚拟样机模型如图3所示，A子系统为刚性质量块，考虑到结构重心的调配，所以设定为两台相同的机组，并且将它们相对于筏架进行对称分布；B子系统为连接机组与筏架的隔振器，共两组，每组四个；此处C子系统为柔性板式筏架，自由边界；D子系统为筏架和基础板间的隔振器，共四个，对称分布；E子系统为柔性基础板，四边简支。样机具体物理参数见表1。

除前六阶刚体模态，各取筏架及基础板前八阶弹性振动模态，基准功率流为pref=10-12watt。

图4（a）与（b）分别为ADAMS建模与理论解在机器质量改变时，传递到基础的功率流变化情况。从图中可以看出，它们的共同点是增大机器质量系统的刚体运动模态向低频域偏移，并使得传递到基础的功率流曲线在中、高频域整体下移。两种仿真结果均表明：增大机器质量有利于减少输入基础的功率流，提高系统的减振效果。

a） ADAMS建模仿真

b） 理论建模仿真

图4 机器质量对输入基础功率流的影响

4 结束语

首先，从仿真图中可以看出在低频域，浮筏隔振系统的减振效果欠佳，当激励力频率超过20Hz以后，系统功率流发生明显下降，大幅提升隔振降噪效果。所以，浮筏隔振系统在中、高频域有很好的减振效果。

在相同的结构形式以及激励条件下，增大机器质量可以让刚体运动模态向低频域偏移，并使得传递到基础的功率流曲线在中、高频域整体下移，有利于减少输入到基础的功率流。但同时也得注意过大的机器質量会增大结构，而舰船的空间载重是有限的，所以也不能一味的增加机器质量。

参考文献

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