基于TPA的船舶双层隔振系统计算模型与试验验证

2015-08-24 05:47徐建龙许锐彭利国
中国舰船研究 2015年5期
关键词:传递函数双层贡献

徐建龙,许锐,彭利国

基于TPA的船舶双层隔振系统计算模型与试验验证

徐建龙,许锐,彭利国

武昌船舶重工集团有限公司,湖北武汉430064

针对船舶双层机械隔振系统结构复杂,遇到振动噪声异常问题时难以排查的情况,将传递路径分析方法(TPA)引入船舶建造的过程之中,在理论分析的基础上,建立了双层机械隔振系统的缩比模型,并进行了试验测试工作,得到了各路径到目标点处的结构振动合成值,且在200 Hz以下的低频段合成结果与实测结果高度吻合。此外,通过分析各路径贡献量的标量云图及典型频点处的路径贡献矢量图,从传递路径的能量分布出发,找出异常路径,并通过检查分析以明确异常的问题。结果表明:该方法可有效分段排查异常问题的成因,满足工程实际的需求。

船舶;隔振系统;传递路径分析;船舶建造

期刊网址:www.ship-research.com

引用格式:徐建龙,许锐,彭利国.基于TPA的船舶双层隔振系统计算模型与试验验证[J].中国舰船研究,2015,10(5):71-75,91.

XU Jianlong,XURui,PENG Liguo.The calculationmodeland experimental verification ofship'sdouble-layervibration isolation systems based on TPA[J].Chinese Journal of Ship Research,2015,10(5):71-75,91.

0 引言

随着科学技术的发展,声呐探测技术水平的提高,如何提高船舶自身的隐蔽性,增强海军的作战能力,成为各国在进行船舶研究时的主要研究方向。

目前国内在进行船舶减振降噪研究时主要通过改变船舶线型、更换低噪声设备、增加隔振装置等手段来降低船舶辐射噪声[1]。上述手段在设计上有效保证了船舶整体噪声水平,但验证降噪效果时,均需等到系泊试验或航行试验时方可进行相关测试,此时若发现问题,从安装工艺到设计均需通过大量测试、反复排查,并且后期整改时仍面临许多问题。因此,若在建造过程之中尽早验证降噪手段、及时发现设计或建造上的问题则可有效降低生产成本,提高生产效率,且在设计或建造修改方面均具有较大的弹性空间。为此,本文引入了汽车领域中较为成熟的技术——传递路径分析法(TPA)[2],针对船舶三大噪声源之一的机械噪声[3],对船舶建造阶段的振动噪声传递路径进行分析,通过在船台建造阶段及系泊试验阶段的分阶段振动测试,掌握建造过程中各阶段的试验数据,并通过传递函数分析及传递路径分析法分析各路径是否存在振动异常现象。及时查找、发现问题路径及问题对象,便于整改,降低成本。为验证该方法的准确性,本文将以双层机械隔振系统的缩比模型为试验对象,进行传递路径分析,并将针对异常问题提出分析与解决思路,以验证该方法在船舶领域的应用前景。

1 传递路径分析计算模型

对于双层机械隔振系统,激励源即机械设备及其附属管路,而目标点则多分布在结构上,2者分属于2个不同的系统,激励源区域的结构称为主动方,目标点区域的结构称为受动方,一般它们在耦合点处(分界处)通过耦合元件(隔振器、马脚等)连接起来,受动方在耦合点处的每一个自由度到目标点均形成1条传递路径。通常只考虑x,y,z这3个平动自由度而忽略3个旋转自由度[4-9]。

在线性系统假设的基础上,总响应可认为是各传递路径贡献量的线性叠加

式中:N为传递路径数;Hi(ω)是传递函数;Fi(ω)是激励力的频谱。

1.1传递函数的测量

基于上述原理,在对Hi进行测量时拟采用力锤激励法。测量时,装有力传感器的力锤在隔振器的几何中心处激励(图1),在目标点处采集加速度信号,使用力锤激励时应依据分析频段选择合适的锤头材质,由于本文重点分析200 Hz以下的低频信号,因此试验时采用橡胶锤头进行激励,有效降低了高频干扰信号,此外每个激励点应激励3~5次,将最后的结果求平均。具体的结构传递函数如下

式中,aj(ω)为目标点处的响应谱。

图1 双层隔振系统试验安装布置图Fig.1 The installation adjustmentofdouble-layer vibration isolation system

1.2激励力估算

利用TPA进行耦合点处激励力的估算时,可以采用悬置刚度法或矩阵求逆法进行计算。但由于船舶机械隔振系统各耦合连接结构的刚度较难测量,且机械隔振系统中的管路直接通过支架与船体相连。支架的刚度较大,在振动时会引起两端支撑结构的变形,因此,对于此种情况,需采用矩阵求逆法进行各力值的估算以及各路径的贡献量分析,以便得到较高的测试精度。

对于双层机械隔振系统,可以近似认为是线性系统,当各耦合位置处有激励力F1,F2,…,Fn的激励时,必会存在响应 X1,X2,…,Xm,由系统的运动方程可得

于是载荷力向量可由下式进行估计

简写为

式中:{f}on为载荷力向量;{X}om为响应点上的载荷响应向量;Hij=Xi/Fj为响应 Xi到输入Fj的频响函数。

为增加机械隔振系统各耦合点处载荷力估计的可信度,应使m≥2n。即传感器的布置数量应大于等于耦合路径的数目。但由于m>n,导致并不存在,此时,可采用最小二乘法对频响函数矩阵求广义逆来求解,同时,为避免因H可能是变态矩阵而引起的计算错误,需要对[H]进行奇异值分解,以去除矩阵中的相关行,而后计算出[H]+,最后计算出等效载荷力。

2 双层隔振系统传递路径试验分析

2.1传递路径试验

本试验在上海交通大学的振动试验室中进行,选取一个典型双层机械隔振系统的缩比模型作为研究对象,该系统主要由2台电机、过渡机架、上层隔振器、大刚度垫块、力环、中间机架、下层隔振器、舱体、空气弹簧和支撑结构等组成。该系统上下2层各有4个隔振器组件,共8条路径。测试时共布置16个单向加速度传感器(垂向)于隔振器两侧,用于测量参考点处的加速度信号,2个单向加速度传感器(垂向)布置于筏架和舱底中部,用于测量目标点处的加速度信号。目标点的选取原则应根据测试对象的特性及测试者重点关注的位置进行选取,如欲降低船体振动产生的辐射噪声,则可将目标点布放在船体结构强度偏弱处。测试工况为左机2 100 r/m in,右机3 000 r/m in。其测点及整体安装图如图1所示。

对于本试验系统,设备振动的能量通过上层4个隔振器传递至筏架上,继而通过下层4个隔振器传递至船体基座上,从而在整个船体结构上产生振动噪声。

为不影响船舶建造的安装进度,有效分析、诊断该系统是否存在异常问题,且准确查找问题成因,试验时采取分层测试和分层分析的方式。对应于船舶的建造过程,则应在船台阶段基座焊接完毕后进行下层隔振器安装位置的定位,并测量各隔振器安装点至参考点和目标点(船体之上)处的传递函数;然后继续进行建造安装工作,待隔振器及中间质量安装完毕后进行上层隔振器的安装点定位,并测试各隔振器安装点至参考点和目标点(中间质量上)处的传递函数。对于参考点的布置位置通常要求布置在隔振器安装位置的附近,每个耦合点附近不低于2个参考测点,且应呈不对称分布。测试完成后,安装设备及上层隔振器开机运行,测试相关测点的工况加速度,测试完毕后分层分析上下层路径是否存在问题。此外,在进行传递函数及工况加速度的测量时可参考GJB 4058中关于振动的相关测试要求。

图2 左机2 100 r/m in,右机3 000 r/m in上、下层目标点加速度响应实测值与计算合成值对比图Fig.2 The contrastdiagrams of composite values and measured values atupper and under layer targetpoint which the rotation speed of leftand rightengine are 2 100 and 3 000 r/min respectively

2.2传递路径结果分析

2.2.1准确性验证

将测得的上下层各路径的传递函数及在运行工况下测得的各测点的加速度信号,代入式(5)即可计算出各耦合激励点处激励力的频响值,再将其代入式(1)则可得出各路径的加速度贡献值及目标点处的计算合成值。

在进行数据处理时,需要重点考虑传递函数矩阵中数值的选取,即需要依据分析频率、传递函数特性等方面的因素,有选择性地选择参与计算的测试数据,才能得到可靠的计算分析结果[10]。为验证计算结果的准确性,首先需要判断在分析频段内目标处的加速度信号实测值与计算合成值之间的一致性,其上、下层加速度响应实测值与计算合成值的对比图如图2所示。

从图2(a)可以看出,在上层激励频点处,实测值与计算合成值的一致性较好,峰值相差1 dB左右,且在10~1 000 Hz频段内,其均方根值(RMS)仅相差0.2 dB;在图2(b)中,下层激励频点处,实测值与计算合成值之间的峰值一致性要略差于上层,这主要是由于激励电机功率较小,当经过上下两层隔振器隔振后,能量被大幅衰减,因此,计算结果准确性略差。但整个分析频带内的RMS值相差并不明显,仅为2 dB。此外,考虑到激励电机在高频段能量不足,因此分析时,主要分析200Hz以下的频段。

2.2.2路径贡献量分析

利用传递路径贡献量分析法进行双层隔振系统的降噪质量检查时,需对路径的贡献量进行分层分析以排除彼此之间的相互影响。分析时,主要采取2种方案:1)需预先测量分析标准安装工艺条件下,目标点处的响应函数各路径对目标点处的贡献量分布情况,此后,在进行工艺安装质量检测时可以与标准数据对比,判断哪条路径存在安装工艺问题;2)在事先不能掌握相关数据时,可直接进行相关测试工作,针对振动噪声异常的路径提出问题的解决方案。在此,本文以方案2为例,进行分析。

图3为标准安装工艺条件下,上、下层各激励路径在不同频点处的贡献量分布云图。从图中可以看出,在分析频带范围内,Total计算合成值与Measure实测值相比,二者具有较高的一致性,可见上、下层的测试结果较为准确。此外,上层路径中,3号路径对目标点的贡献量要大于其余3条路径,在激励频率及其倍频处,35 Hz时的贡献量要大于50 Hz时的路径贡献量。由此可见,若想降低目标点处的振动能量,则可初步拟定通过降低35 Hz时3号路径的能量,达到降低目标点能量的目的。在下层路径分析时,可以看出,16号路径对目标点的贡献量要略大于其余3条路径,主要表现在50和70 Hz这2个频点处的能量,由图2(b)分析其原因,可能是由于16号路径的上方为3号路径的耦合激励点,因此,针对此问题可以通过降低3号路径的能量来尝试解决问题。

图3 上、下层各激励路径在不同频点处对目标点的贡献量分布云图Fig.3 The contours ofupper and under layer's contribution at different frequentpoint

此外,考虑到图3中的路径贡献量为标量,因此,需要辅以各条路径的矢量图及相应路径的传递函数值进行总体综合分析,才能提出具体的解决方案。图4为35 Hz时各路径对目标点贡献量的矢量图。图5为上层4条路径至目标点处的传递函数对比图。

图4 35 Hz时上层各路径对目标点贡献量的矢量图Fig.4 The vectorgraph ofeach upper path to targetpoint's contribution at35Hz

图5 上层4条路径至目标点处的传递函数对比图Fig.5 The contrastdiagram of each upper path to targetpoint's FRF

从图4可以看出,3号路径对目标点处的贡献量最大,当降低3号路径的能量后,有效降低了目标点处的振动噪声。此外,从图5可以看出,在35 Hz时,1号路径的传递函数值要大于3号路径。综上所述,引起3号路径贡献偏大的原因为激励力过大。针对该问题,应先分析系统的耦合连接元器件(如隔振器等)是否存在安装问题,继而分析隔振器的选型、设备的选型、设备的空间布放等问题是否存在影响,从而为设计单位提供数据支撑,便于及早解决振动噪声的异常问题。

3 结论

为及早发现船舶机械隔振系统是否达到设计的降噪效果,分析产生振动噪声异常的原因,本文引入了汽车领域中使用的传递路径分析法。以缩比的双层机械隔振系统为例,进行了相关的测试工作,并对测试结果进行了分析,得出如下结论:

1)通过对目标点处实测值与合成值的对比分析可知,该方法在船舶双层隔振系统领域具有较好的适用性,计算结果较为准确。

2)该方法通过对贡献量的分布图、激励力矢量图、传递函数频谱图等几个方面进行综合分析,较全面地考虑了影响振动异常的各个原因,能较准确地分析出异常路径及异常问题的成因。

3)在建造过程中,该方法可对检测对象进行有效的过程控制,避免后期发现问题时投入过高的成本,且对问题的针对性强,便于及时解决问题。

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[责任编辑:胡文莉]

The calcu lation m odeland experim entalverification of ship's doub le-layer vibration isolation system s based on TPA

XU Jianlong,XU Rui,PENG Liguo
W uchang Shipbuilding Industry Co.Ltd.,Wuhan 430064,China

Conventionally,the vibration noise problem within the ship's double-layer vibration isolation system can be rather difficult to locate;therefore,this paper incorporates Transfer Path Analysis(TPA)into the construction p rocess of ships.Based on theoretical analysis,a scaled model of the double-layer vibration isolation system under a certain operating condition is first established.Contrastanalysis of the corresponding composite valuesandmeasured values is then conducted.The resultagreeswellwith the actual data below 200 Hz.Besides,the scalar nephogram for different contributing ways and vector graphs are studied,which helps locate the abnormal problem.In short,the proposedmethod can be applied to find the unusual vibration noise of the ship's doub le-layer vibration isolation system,and it successfully meets the practical engineering requirements.

ship;vibration isolation system;Transfer Path Analysis(TPA);ship construction

U661.44

ADO I:10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.012

2014-12-25网络出版时间:2015-10-8 11∶10

国家部委基金资助项目

徐建龙(通信作者),男,1984年生,硕士,工程师。研究方向:船舶减振降噪。E-mail:77629216@qq.com

网络出版地址:http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151008.1110.028.htm l

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