复合阻振技术在舰船支撑结构中的应用研究

温华兵，刘林波，夏兆旺，彭子龙（江苏科技大学 振动噪声研究所，江苏 镇江 212003）

复合阻振技术在舰船支撑结构中的应用研究

温华兵，刘林波，夏兆旺，彭子龙
（江苏科技大学 振动噪声研究所，江苏 镇江 212003）

基于质量阻振机理，分析了阻振质量偏置安装及空心阻振质量结构对阻振性能的影响，提出了综合质量阻振与阻尼减振的支撑结构复合阻振技术。采用FE-SEA法，建立了支撑结构至圆柱壳体的振动传递及声辐射特性分析模型。对比了支撑结构底部阻振、四周阻振和双层阻振的阻振性能，分析了在支撑结构表面粘贴阻尼材料的减振降噪性能。结果表明，双层阻振比单层阻振、约束阻尼比自由阻尼的减振降噪效果更加明显，复合阻振技术比单独减振设计的减振频率更宽，减振效果更好。复合阻振技术对支撑结构的减振设计具有工程应用价值。

支撑结构；质量阻振；阻尼减振；复合阻振；FE-SEA法

0 引 言

Cremer和Heckl[1]最早提出阻振质量（blocking mass）的概念，并对其阻波特性进行了分析。石勇等[2]利用波动理论方法，分析了振动波在钢板结构中传播遇到方钢结构时的反射、透射等传播规律。车驰东等[3]研究了任意入射角度振动波及阻振质量对多转角板结构的结构声的阻抑特性。刘见华等[4]研究了多个阻振质量阻抑结构声的传递。申华等[5]研究了平板结构中空心方钢阻振质量的性能。姚熊亮等[6]基于阻抗失配原理，在舰船舷间振动的主传递通道上设计了几种高传递损失的复合托板结构。计方等[7]研究了船体结构中插入阻振质量与粘弹性夹层对振动波的复合阻抑特性。在工程应用中，减少阻振质量的附加质量，拓宽阻振质量的阻振频率范围，增加阻振效果尤其是对低频的阻振效果，成为阻振质量的发展方向。

机械设备的基座结构是设备振动传递到船体结构的最重要通道。为更好地发挥该通道在减振降噪中的作用，李江涛[8]设计并研究了复合结构基座的阻振性能。王献忠等[9]研究了含阻振质量基座的圆柱壳隔振特性。姚熊亮等[11]、田正东等人[12]研究了阻振质量偏心距对基座结构隔振特性的影响，给出了基座阻振质量隔振效果工程快速预报计算公式。结构中阻振质量阻振性能的研究方法包括波动法[1-4]、阻抗法[13]、有限元法[5-6]和FE-SEA法等。FE-SEA法用统计能量法描述刚度低、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[14]。本文提出了空心阻振质量结合粘弹性阻尼减振的复合阻振技术，采用FE-SEA法研究了复合阻振设计在船体支撑结构中的阻振效果。

1 板结构对弯曲波传递的阻抑特性

结构中材料属性突变、截面积突变、转角和加强肋等不连续因素的存在，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。在舰船结构声学设计中，沿着振动波传递途径设置阻振质量于板结构结合处，用以隔离结构声的传播，就是源于集中质量阻振的思想。图1为在板结构中偏心布置阻振质量结构示意图。

在无限大平板结构中插入刚性阻振质量且对称布置时，利用波动法可推导出平面垂直入射弯曲波的透射系数[2]：

图1 偏心阻振质量结构示意图Fig.1 Schematic depiction of eccentric blocking mass structure

透射系数通常情况下为复数，是振动频率的函数，当透射系数的分子等于零时，透射系数达到最小值，对应的频率称为全隔离频率，全隔离频率时对应的μ应满足的条件为：

将阻振质量偏心布置时，弯曲波引起的受迫转动产生轴向加速度，从而发生波形转换，产生纵波振动形式的衍生波，由阻振质量偏心布置产生的衍生波的透射效率[11]：

式中：ω为圆频率；rs为阻振质量质心距离板中心位置的偏心距离，ZMw是由偏心阻振质量的旋转惯性和板的弯矩阻抗组成，），其中B、cB为薄板的弯曲刚度和弯曲波的波速；ZFv为板的力阻抗[3]，ZFv=cBm′。

偏心阻振质量产生的总隔声量为：

式中右边第1项为单个对称布置的阻振质量产生的隔声量，第2项为单个偏心布置的阻振质量产生的附加隔声量。

若在5 mm厚的无限大平板中插入50 mm×50 mm实心方钢阻振质量，图2为阻振质量偏置布置时由波动法计算得到的隔声量。若插入50 mm×50 mm，壁厚为5 mm的空心方钢阻振质量，图3为空心与实心阻振质量的隔声量对比。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，在全隔离频率处，阻振质量的阻振效果最佳。当将阻振质量与板结构的质心发生偏移时，由于阻振质量相对于板中性面位置的转动惯量增加，阻振质量偏置的全隔离频率向低频移动。在无偏置、偏置一半、完全偏置时，阻振质量的全隔离频率分别为4 000 Hz、1 236 Hz和615 Hz。因此，将阻振质量与板结构偏移安装，或者用空心阻振质量结构型式，可以拓宽阻振质量的有效阻振频率范围，提高阻振效果。

图2 阻振质量偏置对隔声量的影响Fig.2 Effect on sound insulation from partiality blocking mass

图3 空心与实心阻振质量的隔声量Fig.3 Sound insulation of hollow and solid blocking mass

2 圆柱壳体FE-SEA 混合法模型

研究对象为水下双层圆柱壳体结构，其外径2.7 m，内径2.3 m，长度4 m（含20个肋位），壁厚各10 mm，两端带舱壁板筋结构。3 mm板厚的带筋平台结构位于内圆柱壳体内部约1/3高度处，四周与圆柱壳体及舱壁直接焊接连接，下方用空心立柱支撑在内圆柱壳体上。平台上支撑结构长330 mm、宽44 mm、高80 mm，面板厚7 mm、腹板和肘板厚3 mm，材料为碳钢。图4为双层圆柱壳体结构示意图。

图4 双层圆柱壳体结构示意图Fig.4 Schematic depiction of double cylindrical shell structure

经有限元计算，圆柱壳体结构、带加强筋舱壁结构、平台结构的第1阶固有频率分别为111 Hz、168 Hz和154 Hz，模态分布相对较密集；支撑结构的第1阶固有频率为893 Hz，固有频率高，模态分布较为稀疏。由于圆柱壳体、平台结构、支撑结构和阻振质量之间的动态特性存在较大差异，整体结构较为复杂，单一使用FEM或SEA所建立的模型难以满足宽频范围的振动特性分析。因此，将刚度相对较大的支撑结构（含面板、肘板、腹板）和阻振质量采用FEM建模，以准确描述阻振质量几何形状及布置位置等详细结构特征，划分为96个有限元板壳单元；将刚度相对较小、模态较为密集的圆柱壳体、壳间环腹板、舱壁和平台结构等薄壳结构采用SEA建模，划分为232个子系统。图5为FE-SEA模型的子结构与功率流，图中点划线内为SEA子系统，点划线外为FEM子系统，粗线表示FEM子系统与SEA子系统的混合连接，细线表示FEM、SEA同类子系统的连接，箭头表示SEA功率流流向。

图5 FE-SEA模型的子结构与功率流Fig.5 Subsystem and power flow of FE-SEA model

图6 支撑结构至圆柱壳体的振动传递函数Fig.6 Vibration transfer function of cylindrical shell from base structure

当圆柱壳体结构模型置于空气中时，采用低频空气弹簧支撑，开展了平台结构上支撑结构至壳体表面的振动传递特性实验，得到了圆柱壳体结构的传递函数[15]。实验时激励加载在支撑结构面板上，测试圆柱壳体表面不同位置的振动加速度，图6为支撑结构至圆柱壳体表面轴向为中部10#肋位、周向为顶部位置的振动传递函数（基准值为10-6）仿真与实验结果。结果显示，在50~5 000 Hz宽频范围内，振动传递函数随着频率的增加而提高，对于相同激励力，高频激励力更容易引起圆柱壳体的表面振动；FE-SEA混合法仿真与实验得到的传递函数合成值分别为122.8 dB、120.8 dB，计算误差为2 dB。结果显示，圆柱壳体表面大多数位置的振动传递函数仿真与实验结果较为接近，说明所建立的FE-SEA混合模型与实际结构的振动传递特性基本一致，可用于平台上支撑结构的振动传递特性分析。

3 平台支撑结构的质量阻振技术

为减少动力机械设备激励支撑结构面板时传递到圆柱壳体外部的振动与辐射噪声，采用截面尺寸为20 mm×20 mm，壁厚为4 mm的空心方钢阻振质量，设计了底部阻振、四周阻振、双层阻振共3种阻振方案。底部阻振方案为：在支撑结构的腹板底部插入阻振质量；四周阻振方案为：在支撑结构的四周平台结构上270 mm×115 mm范围四周插入阻振质量；双层阻振方案为：同时插入底部阻振质量和四周阻振质量。如图7所示为支撑结构的阻振设计方案示意图，空心阻振质量采用布置在平台结构上方的完全偏置设计方案。

图7 支撑结构的空心阻振设计方案Fig.7 Design project of hollow blocking mass on base structure

作为水下航行器的圆柱壳体结构，在工作时壳体内部为空气，双层壳间与外壳体四周为海水介质。假设该圆柱壳体在无限海水域中处于自由状态，在支撑结构上安装的辅机设备为某型号风机，其激励力的频谱特性如图8所示，主要扰动频率主要分布在100~1 000 Hz中频范围，总激励力大小为19.2 N。

对于支撑结构腹板底部阻振、四周阻振和双层阻振时，仿真对比风机激励产生的阻振效果。图9为圆柱壳体表面的水下辐射声功率，其主要峰值出现在630 Hz和2 kHz频率处。与无阻振时的辐射声功率对比，底部阻振、四周阻振时具有阻振效果的起始频率分别为2 kHz、3.15 kHz，在低于该频率时不但没有阻振效果，辐射噪声反而有所放大；双层阻振时在50 Hz起具有阻振效果，高于100 Hz频率的阻振效果在1 dB以上，高于1 kHz频率的阻振效果在2 dB以上，在3.15 kHz时的阻振效果为8.8 dB。在无阻振、底部阻振、四周阻振和双层阻振时，圆柱壳体产生的水下辐射声功率分别为85.7 dB、86.6 dB、88.0 dB和83.1 dB，底部阻振、四周阻振甚至使得辐射噪声增加，而双层阻振的阻振效果为2.6 dB。

图8 辅机设备的激励力频谱图Fig.8 Exciting force spectrum of auxiliary equipment

图9 结构阻振后圆柱壳体的辐射声功率级Fig.9 Radiation sound power level of cylindrical shell with blocking mass

因此，对于本文研究的结构模型，对支撑结构设计的双层阻振比单独底部阻振、四周阻振的有效阻振频率大幅下降，阻振效果增加。其原因是，由基座面板经腹板传递的入射波在空心阻振质量处，需要经过多个转角的波形转换，尤其是经过两次阻振后，结构的阻抗失配加剧，阻振的起始频率下降，阻振效果提高。

4 平台支撑结构的阻尼减振技术

阻尼减振是指充分利用结构中阻尼的耗能机理，从材料与结构等方面进行阻尼的减振设计，提高结构的减振降噪能力。许多新型阻尼材料的研制，为板筋结构振动噪声控制提供了有利条件。近年来新研制的丁基橡胶复合阻尼胶板[16]，在1 000 Hz时的弹性模量为94.4 MPa，损耗因子为0.8，且在宽频范围具有较高的损耗因子。

图10 阻尼处理时圆柱壳体的辐射声功率级Fig.10 Radiation sound power level of cylindrical shell with damping

为研究丁基橡胶复合阻尼胶板对平台上支撑结构的减振效果，在支撑结构上单面粘贴3 mm厚的自由阻尼层或约束阻尼层（3 mm阻尼层+1 mm钢板约束层）。在风机激励力作用下，图10为圆柱壳体产生的水下辐射声功率级。在50~5 000 Hz宽频率范围内，自由阻尼层对平台支撑结构在1.6 kHz以上频率才具有一定的减振降噪效果；约束阻尼层在所有频率下都产生了降噪效果，在630 Hz以上频率的降噪效果达到5 dB以上，在4 kHz频率处的降噪效果最大为10.9 dB；在无阻尼层、自由阻尼层或约束阻尼层时，圆柱壳体产生的水下辐射声功率分别为85.7 dB、84.8 dB和78.5 dB，自由阻尼层与约束阻尼层的降噪效果分别为0.9 dB、7.2 dB。其原因是，支撑结构表面的自由阻尼层是通过板结构发生弯曲时产生拉伸、压缩变形消耗振动能量，而约束阻尼层通过约束层与板结构之间的剪切变形耗散能量，由于支撑结构的局部刚度大、固有频率高，约束阻尼层更有利于能量的耗散。因此，在支撑结构上粘贴约束阻尼层比自由阻尼层的减振降噪效果更加明显。

5 平台支撑结构的复合阻振技术

通过对平台支撑结构在传递路径中的质量阻振和阻尼减振性能分析，发现单独应用这两种技术，在合理设计的情况下都具有一定的阻抑效果。为此，本文提出对平台支撑结构采用双层质量阻振与约束阻尼减振相结合的复合阻振技术。在振源附近的振动传递路径中，通过双层阻振质量将振动能量阻挡或限制在振源附近支撑结构局部区域内，减少振动能量向平台结构四周传递和扩散，由于阻振质量对振动波的反射作用，使支撑结构自身的振动幅度增加；此时，在支撑结构表面粘贴约束阻尼材料，从而增加约束层与板结构之间的阻尼剪切耗能效果，通过质量阻振和阻尼减振技术的综合作用，实现对振源附近结构振动传递途径中的复合阻振。该复合阻振技术的设计思想，一方面通过质量阻振和阻尼减振技术的综合作用，提高减振效果，另一方面在于将振动“限制”在振源附近的局部小范围区域内，从而在小范围实施阻尼减振，节约阻尼材料的使用，减少附加质量。

对平台支撑结构的复合阻振方案为：对支撑结构采用双层空心质量阻振和约束阻尼减振设计，图11和图12分别为复合阻振时圆柱壳体产生的水下辐射声功率级及阻振效果。复合阻振在50 Hz以上频率的降噪效果在5 dB以上，在200 Hz以上频率的降噪效果在10 dB以上，最大降噪效果出现在3.15 kHz处为15.1 dB；在风机激励力作用下，支撑结构复合阻振时圆柱壳体的水下辐射声功率级为76.0 dB，降噪效果为9.7 dB，而双层空心质量阻振、约束阻尼减振的降噪效果分别为2.6 dB和7.2 dB。因此，对平台支撑结构的复合阻振技术，减振降噪效果较单独质量阻振和阻尼减振明显提高，尤其是增加了中低频的减振效果，有效扩宽了减振频率范围。

图12 复合阻振的阻振效果Fig.12 Radiation sound power level of cylindrical shell with composite vibration-isolating

6 结 论

本文建立的圆柱壳体及平台支撑结构FE-SEA法模型，对支撑结构振动传递特性的仿真结果误差在2 dB以内。相对于传统的单级质量阻振设计，采用空心方钢阻振质量的偏置布置与封闭式双级阻振设计，可降低阻振起始频率，提高阻振效果。对于平台结构上局部刚度较大、固有频率较高的支撑结构，在粘贴丁基橡胶阻尼材料时，粘贴约束阻尼层比自由阻尼层的减振频率范围更宽，减振效果提高。

复合阻振技术的设计思想，是在振动传递途径中综合采用质量阻振和阻尼减振技术，阻抑和消耗振动源附近局部小范围区域内的结构振动能量，“限制”振动能量的扩散，从而在小范围实施减振设计，提高减振效果。对平台支撑结构的复合阻振设计，对风机激励作用下圆柱壳体的水下辐射声功率达到了近10 dB的降噪效果，这对于动力机械设备支撑结构的减振设计具有工程应用价值。

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Applied research on vibration transmission performance of the composite vibration-isolating for the base structure of ship

WEN Hua-bing,LIU Lin-bo,XIA Zhao-wang,PENG Zi-long
(Institute of Noise and Vibration,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China)

Based on the blocking mass mechanism,the effects of the eccentric blocking mass and the structural style of the hollow blocking mass on the vibration-isolating performance were analyzed,and the composite vibration-isolating technology of base structure combining hollow blocking mass with damping vibration was put forward.The analytical model of vibration transmission from the base structure to double cylinder shell and the radiation characteristic was built based on the FE-SEA hybrid method.The vibration-isolating performances of inserting blocking mass at the bottom,around the base and at both places were analyzed contrastively,and the performance of the noise and vibration reduction of pasting damping materials was analyzed as well.The results show that the vibration-isolating performance of inserting blocking mass at both places is better than that of inserting blocking mass at the bottom or around the base structure and the constrained damping is better than the free damping.Moreover,the frequency of vibration reduction of the composite vibration-isolating technology is wider than that of one style design.The research results have guiding significance and engineering application value on the vibration transfer control and noise reduction of the design of base structure.

base structure;blocking mass;damping vibration;composite vibration-isolation; FE-SEA hybrid method

U661.4

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.07.013

1007-7294（2015）07-0866-08

2015-01-16

国家自然科学基金项目（11302088）

温华兵（1977-），男，副教授，E-mail：wen-huabing@163.com；

刘林波（1989-），男，硕士研究生。