船舶基座中复合减振结构应用实验研究

刘林波，温华兵，吴晨晖，王 涛

(江苏科技大学振动噪声研究所，江苏镇江650118)

0 引言

随着舰船的隐身性越来越受到重视，基座作为连接机械设备和船体的桥梁，在要求其刚性承载的同时，对其结构声学性能［1］也越来越重视。国内外学者也开展了大量的研究，由于涉及到军事问题，国外的文献往往很少;国内开展研究则较迟，但也取得了显著的成果［1－5］。李江涛［1］设计了复合结构基座并研究了其隔振效果。吕林华［2］在文献 ［1］的基础上研究了钢－复合材料组合基座的设计方法，指出组合基座比钢质基座具有更好的隔振效果。隔离振动的有效方法是在振动能量传递途径上对其吸收和使其反射，其实质就是使结构不连续、阻抗发生突变和非结构材料吸收消耗部分能量，进而达到减振降噪目的［6］。本文对传统钢质基座设计粘贴粘弹性复合材料、插入空心阻振结构及在空心结构中填充颗粒所构成的复合减振方案，采用实验研究复合减振结构在基座结构中应用的减振效果。

1 基座实验模型及方案

基座由面板、肋板和3块腹板组成，底板为双向加筋板，横向4根、纵向3根，基座的面板尺寸为420 mm×87 mm×5 mm，肋板尺寸为420 mm×230 mm×5 mm，3块腹板上、下边长分别为77 mm，200 mm，厚5 mm。在基座面板取两点作为激励点，激励点A位于腹板上方面板位置，激励点B位于两腹板之间的面板中心位置，在底板上基座四周对应布置4个加速度响应测点，如图1和图2所示。粘弹性复合材料为5 mm厚微孔发泡丁基橡胶［7］，空心阻振结构为边长60 mm、壁厚4 mm的方形空心型钢，填充的颗粒为直径1 mm铁砂。为研究复合减振结构对基座结构的减振效果，设计了6种振动实验方案如表1所示。

图2 基座振动传递实验Fig.2 Vibration transfer experiment of the pedestal

表1 基座结构减振方案Tab.1 Vibration reduction methods of the pedestal

2 基座结构振动传递分析

采用加速度导纳描述基座结构在单位力激励下所引起的振动加速度响应，加速度导纳越大，说明基座结构传递的振动响应越大。加速度导纳定义如下:

式中a为基座下方船体结构上的加速度 (基准值为10－6m/s2);F为基座面板上的激励点激振力。

一般情况下，机械设备都是通过减振器固定在基座上，将减振器安装在激励点B与两腹板之间，而研究成果［8］表明当减振器安装在腹板上方时，可以更好地减少基座振动的传递。为了研究激振力在基座面板上作用点对振动传递的影响，实验对比分析了各方案中的原点导纳特性。原点导纳的大小说明了相同激励力所引起结构振动的容易程度，原点导纳越大，越容易引起结构振动。图3给出了方案1和方案3中的原点加速度导纳，可以看出，不同激励点所对应的原点导纳呈交替状态，总体随频率的增大而增大，在方案1中，低于630 Hz频率范围内，激励点A时原点导纳较大，高于630 Hz频率范围内，激励点B时原点导纳较大;在方案3中，低于250 Hz频率范围内，不同激励点原点导纳基本一致，高于250 Hz频率范围内，激励点B原点导纳更大。

在基座上粘贴阻尼层，对中高频段振动能够起到显著的减振效果［5］;空心阻振结构是一种特殊的阻振质量，其阻振频率范围也主要作用于中高频段［9］。由于在中高频段内激励点A的原点导纳较小，更有利于基座结构的减振，本文着重对比了不同实验方案下激励点A时的基座结构振动传递特性。

2.1 单一减振方案的减振效果

图3 不同激励点原点加速度导纳Fig.3 Drive point acceleration admittance of different incentive points

图4 基座阻尼处理后振动加速度导纳Fig.4 Vibration acceleration admittance with pasting viscoelastic damping layer

在金属板结构上面粘贴阻尼层，构成阻尼结构，由金属板结构提供强度和刚度，由粘弹性阻尼材料提供阻尼，可提升结构损耗因子，有利于振动能量的耗散，从而达到减振降噪的目的。丁基橡胶是一种阻尼性能优异的粘弹性阻尼材料，微孔发泡技术提升了其阻尼性能［10］，在方案2中基座腹板和肋板单侧粘贴了5 mm厚度微孔发泡丁基橡胶。如图4所示为测点1和测点4的加速度导纳，在0～500 Hz频率范围基座结构的振动略有降低，高于500 Hz频率的导纳值衰减较明显，最大值约10 dB。粘贴阻尼层后，在分析频率范围内测点1的总导纳衰减量最少，为3.33 dB，而测点4的总导纳值衰减最大，达到8.9 dB。

传统的阻振质量往往采用实心方钢、圆钢等大质量结构，插入在薄壳中加剧结构阻抗失配，振动波发生反射和透射现象，从而阻抑振动波在中高频段的传递。空心阻振结构是一种特殊的阻振质量［9］，在具有整体质量刚性阻振的同时，振动波还在空心结构薄壁中沿不同路径及转角处传递而产生更多的振动衰减。将空心阻振结构焊接插入在基座腹板、肘板中，图5为插入空心阻振结构后不同测点的加速度导纳，结果显示振动并没有衰减，反而有所增加，测点2的增益较小，为4.38 dB，而测点3的增益明显，达到了9.7 dB。空心阻振结构的插入加剧了基座结构的阻抗失配，但是也增加了基座整体刚度，同时由于焊接等加工工艺原因，基座下方船体结构的振动反而有所增强，这说明在基座结构中插入空心阻振结构对振动传递的影响较为复杂，还需要进行优化设计［11］。

图5 插入空心阻振结构后振动加速度导纳Fig.5 Vibration acceleration admittance with inserting hollow blocking mass structure

2.2 复合减振方案的减振效果

在基座结构上粘贴阻尼层，振动传递得到不同程度衰减;插入空心阻振结构后虽然加剧了基座结构的阻抗失配，但是振动并没有得到衰减，甚至有所增强。因此，本文设计了多种复合减振方案，以对比研究对基座结构的减振降噪效果。

在独立的孔腔中填充颗粒，通过颗粒之间以及颗粒与腔体之间的摩擦和碰撞消耗系统能量，颗粒阻尼减振适合于抑制薄壳结构的振动，从而实现减振降噪的目的。对空心阻振结构整体而言，具有刚性阻振的性能，但其局部仍然是薄板结构，将空心阻振结构两端封闭，填充1 mm直径铁砂颗粒，填充量为空心腔体体积的一半 (填充率50%)。图6为复合方案中测点1和测点4的振动加速度导纳。对比方案3和方案4可以看出，填充颗粒后在1.6kHz频率范围内的加速度导纳基本不变，而在更高频率时随着频率的增加逐步衰减。填充颗粒后增加了阻振结构的质量，有利于基座结构的阻振，同时由于颗粒与阻振结构壁摩擦以及颗粒之间摩擦耗散了振动能量，从而增加了基座结构的减振效果。

图6 复合减振方案后振动加速度导纳Fig.6 Vibration acceleration admittance with composite vibration reduction structure

阻振结构的实质是使振动波在阻振结构处发生反射和透射现象，仅仅将振动能量进行了重新分配，对于总体振动能量影响不大;粘弹性阻尼材料可增加结构损耗因子，增加结构振动能量的耗散量。基座结构中插入阻振结构后，再粘贴5 mm厚微孔发泡丁基橡胶，构成复合减振方案，有利于基座结构的减振。对于测点2，对比方案3和方案5可看出，粘贴阻尼层后在低于200 Hz频率范围内基本无减振效果，在高于200 Hz频率范围内减振效果逐渐明显，在4 kHz频率处减振效果最大，约10.5 dB。方案6在方案5的基础上，在阻振结构中填充颗粒 (填充率50%)，其减振效果更加明显，尤其是在中高频段，相对于方案3时基座结构的最大减振效果达到20 dB，相对于减振前基座结构 (方案1)的总体减振效果达到了14.05 dB。

2.3 减振方案的减振效果对比分析

在基座结构上粘贴阻尼材料，增加结构损耗因子，是一种行之有效的减振方式;在基座中插入空心阻振结构，能够满足对基座的刚性要求，又增加了基座的阻抗失配，也能起到一定的减振作用;在缺乏优化设计的情况下，插入阻振结构不仅不能减振，振动反而可能会有所增强。相对于减振前 (方案1)，表2所示为各减振方案的减振效果，在基座结构中采取减振方案6具有显著的减振效果，不同测点减振效果分别达到了10.12 dB，14.05 dB，11.20 dB，13.06 dB。因此，将单一减振方式结合起来构成复合减振结构，可起到较好的综合减振效果。

表2 各减振方案的减振效果对比 (单位:dB)Tab.2 Comparison of vibration reduction effect of vibration reduction methods

3 结语

采用振动实验研究了基座结构的振动传递特性，指出将激励力加载在基座腹板上方面板处有利于基座结构的减振。

基座结构多种减振方案实验结果对比表明:单一地在基座结构上粘贴微孔发泡丁基橡胶粘弹性阻尼材料，在分析频率内可有效降低基座结构振动加速度导纳，最大衰减值达到近10 dB;单一地将空心阻振结构插入基座中的减振方案，振动传递反而可能会有所增加;将多种减振方案进行复合，构成复合减振结构可以大大提升基座结构的减振效果，对于粘贴阻尼层、插入空心阻振结构、在阻振结构中填充颗粒阻尼的复合减振方案，减振效果可达到14.05 dB。

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