复合材料舵与钢质舵振动特性对比试验研究

王永历，李华东，梅志远

(海军工程大学 舰船工程系，湖北 武汉 430033)

复合材料舵与钢质舵振动特性对比试验研究

王永历，李华东，梅志远

(海军工程大学 舰船工程系，湖北 武汉 430033)

对复合材料舵和传统钢质舵的振动特性进行试验研究和对比分析。通过设计相关试验模型，对复合材料舵和钢质舵的前三阶固有振动模态及10 Hz～1 kHz频段内结构的动态响应进行测试，并对试验结果进行对比分析。研究结果表明：复合材料舵与钢质舵的模态振型基本相同，但复合材料舵所对应的固有频率高于钢质舵；同时，在白噪声激励载荷作用下，10 Hz～1 kHz频段内，复合材料舵整体加速度总级较钢质舵降低可达15 dB，且复合材料舵在局部壳板振动抑制方面明显优于钢质舵。本文研究将为复合材料舵的优化设计和工程应用提供参考和指导。

复合材料舵；钢质舵；固有频率；振动响应

0 引 言

舵叶结构是近似平板的钢结构，也是舰船重要的操纵面。舵叶在湍流激励下会引起强烈的颤振向外辐射噪声[1]，因此降低舵的动响应非常重要。复合材料与钢材料相比，具有较大的结构阻尼，可使结构振动水平大大降低[2]；同时，复合材料还具有降低磁信号等优点，因此，利用纤维增强树脂基复合材料与浮力芯材组成的复合结构代替钢质壳板舵，可实现降低舵体振动噪声和提高声隐身能力的目的[3–6]。目前国内对复合材料舵的研究多处于起步阶段，有关复合材料舵振动特性方面的研究相对较少：朱锡[7]从力学及声学理论方向对复合材料舵的设计做出了指导；刘昕[8]利用MSC/Nastran有限元仿真对复合材料舵的振动特性进行了分析。可以看出，目前国内针对复合材料舵的研究均处于理论和仿真分析阶段，还未见有对复合材料舵振动特性试验研究的报道。

为了研究复合材料舵与钢质舵振动特性的差异，本文通过设计相关试验模型，对复合材料舵和钢质舵的固有振动模态及10 Hz～1 kHz频段内结构的动态响应进行测试，并对试验结果进行对比分析。

1 试验模型与试验方案

为对比复合材料舵和钢质舵固有振动特性的差异，评价复合材料舵和钢质舵平均加速度振级，制作复合材料舵和钢质舵的缩比模型。通过单点激励、多点拾振的激振试验，测试了复合材料舵和钢质舵的振动加速度响应，并根据测试数据对两舵的固有振动特性和10 Hz～1 kHz白噪声激励载荷作用下的振动响应进行对比分析。

1.1 试验模型与测点布置

制作完备的钢质舵和复合材料舵模型如图1所示，其中钢质舵内部采用常规板架结构，复合材料舵主要结构由钢舵轴、骨架、浮力填充芯材以及表层复合材料蒙皮等部件组成。模型的基本尺寸为（长度×宽度×厚度）：1 296 mm×960 mm×173 mm，模型质量为：钢质舵质量138 kg，复合材料舵质量126 kg，复合材料舵比钢质舵减重8.7%。在此前做的舵模型刚度特性试验中已得知，复合材料舵与钢质舵的整体弯曲刚度基本相当，复合材料舵局部抗扭刚度比钢质舵略小，整体抗扭刚度比钢质样舵略大。

为了测得复合材料舵缩比模型和钢质舵缩比模型的模态参数尤其是低频段的整体模态，其测点应布置在纵横骨架的交汇处和自由边处，激振点应避开模态节点位置或刚度较小的蒙皮区。钢质舵和复合材料舵的测点和激振点具体位置如图2所示。

为了能够反映舵的平均加速度振级，频响试验测点应选取典型的位置，从有限元仿真分析看，整舵在自由端和随边远离舵轴端的动响应较大，在舵轴区域较小，随边端局部板格在高频段振动明显，而导边端不明显。激励点的位置选取应避开模态振型节点和结构对称处，并应尽量选择自由端的位置。在图2模态试验测点的基础上新增如图3所示测点，激振点与模态试验保持一致。

1.2 试验仪器

测试系统包括信号发生器、功率放大器、数据采集器、加速度传感器、力传感器、采集计算机等，测试系统构成如图4所示。其中激振器型号为JZT-50，信号发生器型号为TS1639A，功率放大器TS5878，数据采集器DH5908。

1.3 工装及模型的安装

根据GB/T 11349.2-2006/ISO 7626-2：1990标准的要求，激振器采用弹性吊装方式，并通过激励杆与舵体刚性连接，力传感器置于顶杆下方。试验工装和模型安装如图5所示，舵体安装工装应保持足够刚度，且固有频率与舵体错开，以减小固定工装对舵体动态响应的测试影响。

2 固有振动特性分析

白噪声是理想的较宽频带能量均匀分布的动态激励信号，理论上包含所有的频率分量，利用白噪声信号对舵结构进行激励可以实现结构的固有频率分析[9]。而试验数据的参数识别采用测力法Polylscf[10]，Polylscf是国际最新发展并广泛应用的基于传递函数的模态分析方法，能够得到非常清晰的稳态图，并且密集空间可以被分离出来，尤其在模态较密集的系统（动力总成系统），或者FRF数据受到严重噪声污染的情况下仍可以建立清晰的稳态图，识别出高度密集的模态，对每一个模态的频率、阻尼和振型都有很好的识别精度。本文采用白噪声激励方法和Polylscf参数识别法对舵的固有振动特性进行分析。

2.1 钢质舵与复合材料舵的模态分析

通过对试验数据Polylscf参数识别，得到钢质舵与复合材料舵前3（4）阶的振型，并加以分析：

1）钢质舵的模态分析

1阶振型表现为舵结构尾端的垂向运动（1阶弯曲运动），振型如图6（a）所示；2阶振型表现为舵结构绕舵轴线扭转运动（1阶扭转运动），运动幅值以舵面导边上端最大，振型如图6（b）所示；3阶振型表现为导边两端、随边两端垂直于舵面方向的振动，振型如图6（c）所示。

2）复合材料舵的模态分析

1阶振型表现为舵结构尾端的垂向运动（1阶弯曲运动），振型如图7（a）所示；2阶振型表现为舵结构绕舵轴线扭转运动（1阶扭转运动），运动幅值以舵面导边上端最大，振型如图7（b）所示；3阶振型表现为随边两端垂直于舵面方向的振动，振型如图7（c）所示；4阶振型表现为随边两端、随边两端垂直于舵面方向的振动，振动相位及振型如图7（d）所示。

2.2 钢质舵与复合材料舵模态对比分析

通过上述模态分析结果，除复合材料舵第3阶振型为其独有，其余振型钢质舵与复合材料舵均基本相同。钢质舵与复合材料舵对应的振型固有频率和模态阻尼比对比如表1所示。

表 1 钢质舵与复合材料舵对应振型固有频率和模态阻尼比对比Tab. 1 Steel rudder and composite rudder’s comparison of inherent frequency and modal damping ratio

从表中可以明显看出，在对应的振型中（其中钢质舵的3阶振型对应复合材料舵的4阶振型），复合材料舵的固有频率均高于钢质舵，且其模态阻尼比也大于钢质舵。故此结构设计的复合材料舵可以有效提高钢质舵中相应振型的固有频率，并增加模态阻尼比。

3 振动响应对比分析

3.1 平均加速度振级理论基础

为了得到舵各结构的平均加速度振级，首先将正弦扫频激振试验所测得的加速度时域信号进行平滑和零线调整处理，并进行10 Hz～1 kHz的带通滤波处理，最后以力传感器通道信号为输入信号进行频响函数处理，采样频率选取截止频率的2.56倍即2.56 k，FFT点数16 384。

接下来要计算的是每个频率点的平均加速度级和结构总体的平均加速度级。

1）计算每个频率点的平均加速度级

2）计算结构平均加速度级

首先，计算测点i的加速度振动总级为：

式中m为测试10 Hz～1 kHz频段内频率点数目，进而由下式计算各测点平均，得到结构平均加速度级：

3.2 钢质舵和复合材料舵加速度总级对比

根据上述计算公式，对试验输出的10 Hz～1 kHz频段内加速度时域信号进行式（2）、式（3）的处理，所得钢质舵与复合材料舵的结构加速度级对比如表2所示。

表 2 钢质舵与复合材料舵各部分平均加速度级Tab. 2 Steel rudder and composite rudder’s average acceleration level

可以看出在10 Hz～1 kHz频段内，复合材料舵各结构的平均加速度级明显小于钢质舵，其加速度总级比钢质舵有显著地降低，达到15 dB。

3.3 钢质舵和复合材料舵的加速度级曲线分析：

对试验输出的10 Hz～1 kHz频段内加速度时域信号进行式（1）的处理，可以得到复合材料舵与钢质舵在频域上的平均加速度级曲线，通过对两舵及其各个结构平均加速度级曲线的分析，可以得出以下结论：

在300 Hz前，复合材料舵与钢质舵的加速度级曲线峰值点相近，钢质舵加速度级曲线峰值略大于复合材料舵，而300 Hz后，复合材料舵的加速度级显著低于钢质舵，尤其在500 Hz～750 Hz频段内，复合材料舵的加速度级曲线出现低谷，如图8（a）所示；在400 Hz前，钢质舵的板架与板格加速度级曲线大致相同，而400 Hz后，板架的加速度级明显低于板格，并在900 Hz左右点上出现交错现象，如图8（b）所示；在300 Hz前，复合材料舵的板架的加速度级低于板格，而300 Hz后，板格的加速度级开始略大于板架，并于500 Hz后逐渐拉开差距，如图8（c）所示。

从以上现象可以看出，复合材料舵在高频段对振动的抑制效果要强于钢质舵；钢质舵与复合材料舵的板架与板格的局部加速度级曲线呈交错的状态，说明在不同频段内，板架与板格对舵的加速度总级的贡献量不同；同时，在仿真计算中钢质舵高频段的振型主要表现为板格的局部振动，试验的加速度级曲线中，板架的加速度级明显低于板格也验证了这一现象，而复合材料舵在高频段板架的加速度级高于板格，说明复合材料舵在抑制板格振动方面有很好的效果。

4 结 语

本文通过设计相关试验模型，对复合材料舵和钢质舵的前3（4）阶固有振动模态及10 Hz～1 kHz频段内结构的动态响应进行了测试，并对两型舵的试验结果进行了对比分析，可以得出下面几个结论：

1）在质量、静刚度大致相同的情况下，复合材料在动响应方面要优于钢质舵；

2）复合材料舵和钢质舵的前3（4）阶内对应的固有振动模态中，复合材料舵的固有频率均高于钢质舵，其阻尼比也大于钢质舵，可以有效降低复合材料舵的动态响应；

3）复合材料舵在高频段对振动的抑制效果要强于钢质舵；同时，复合材料舵在抑制板格振动方面有很好的效果。

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Contrast test research of steel rudder and composite rudder’s vibration property

WANG Yong-li, LI Hua-dong, MEI Zhi-yuan
(Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The experiment research and comparative analysis of vibration characters of composite rudder and traditional steel rudder have been conducted in this paper. By designing related test model, Tests of steel rudder and composite rudder’s first three rank mode of vibration and dynamic response of structure in the 10 Hz ～ 1 000 Hz frequency band have been conducted and the results have been compared and analyzed. The results show that: steel rudder are basically the same with composite rudder’s modes of vibration, while composite rudder’s inherent frequency is higher than steel rudder’s inherent frequency. Meanwhile, acceleration level of composite rudder reduce 15 dB than steel rudder in the 10 Hz ～ 1 000 Hz frequency band under the stimulus of the white noise, and restraining vibration of composite rudder is more effectual than steel rudder in part structural shell.

composite rudder；steel rudder；inherent frequency；vibration response

TB21

A

1672 – 7649(2017)08 – 0036 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.008

2016 – 05 – 30；

2016 – 08 – 24

国家自然科学基金面上资助项目(51479205)

王永历(1991 – )，男，硕士研究生，研究方向为结构强度与振动。