一种间断肋式筏架的动力特性及隔振性能分析

司贵海，高芳清，陈彦北，张明禄，郭 强

（1.西南交通大学 力学与工程学院，成都 610031；2.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412000）

一种间断肋式筏架的动力特性及隔振性能分析

司贵海1，2，高芳清1，陈彦北2，张明禄1，郭 强2

（1.西南交通大学 力学与工程学院，成都 610031；2.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412000）

筏架的动力特性是影响浮筏系统隔振效果的一个重要因素。改变筏架肋板结构，提出一种新型的间断肋式筏架结构。基于Ansys有限元程序建立系统完整的三维模型，对其动力特性进行分析研究；采用功率流评估方法对间断肋式筏架的隔振性能进行了分析，并与传统式浮筏进行比较。研究表明间断肋式筏架系统隔振性能更优越，特别是在中高频段具有突出效果。

振动与波；振动控制；间断肋式筏架；浮筏系统；功率流；有限元分析

浮筏隔振是目前使用较为广泛的高效隔振方式，在一些对隔振效果及安装环境要求较高的工程中都有应用。其隔振原理为：

（1）浮筏隔振系统的上层安装有多个激励设备，各个激励设备之间及激励设备与筏架之间相互影响构成了一个复杂的藕合动力系统，相当一部分能量在系统内部相互抵消衰减；

（2）利用上下两层隔振器的阻尼和筏架的设计来控制吸收振动波，使振动能量在传递过程中呈衰减变化；

（3）筏架作为中间质量，通过质量效应产生减小振动的作用。目前，工程中较为常用的浮筏系统为传统板式浮筏，完全依靠质量效应减小振动的传递，难以进一步提高浮筏的隔振性能。因此，对筏架性能的改良一直是研究人员们所关注的热点。张衡提出了一种框架式浮筏系统，提高了筏架的弹性特征，并利用筏架中间的椭圆切面进行能量的消耗，从而提高浮筏系统的隔振性能[1]。张蔚波通过对“振源－路径－接收器”的定义，分析了振源的柔性对结构的影响，合理增加振源处的柔性，可以增大系统对振动能量的吸收，减少传到基础的振动量[2]。严谨通过理论研究建立了介质中的振动微分方程,分析了间断性结构对振动波传播的影响，研究表明，间断性结构对传播波有反射和透射影响,振动波携带的能量流呈衰减性变化[3]。鉴于此，对筏架肋板结构进行研究，改善筏架的动力特性从而提高浮筏系统的隔振性能。

1 系统的动力学分析

1.1 系统的动力学模型

浮筏隔振系统可以一次性对多台激励设备进行隔振处理，通常由五部分组成，分别为激励设备、上层隔振装置、中间筏架、下两层隔振装置及与地基相连的基座[4]，最简单的浮筏隔振系统安装有两台激励设备，简化模型见图2。

图1 浮筏隔振系统的简化模型

严格地说，在理论上这样的系统具有无限多个自由度，需要用偏微分方程来描述才行。但在工程实际中，往往将这样的系统简化成集总参数系统，则系统的运动微分方程组为[5]

通过求解上面的方程即可求得系统在一定激励下的响应，但浮筏隔振系统是一个具有多方向扰动及响应的系统，通过理论模型求解是较为复杂和困难的。本文根据有限元方法在Ansys软件中将系统离散为有限个单元集合体，输入各个部分的质量、刚度及阻尼等系数，软件能够将其组装成系统的总质量矩阵[M]、总阻尼矩阵[C]及总刚度矩阵[K]，而后进行运动微分方程的求解。

1.2 隔振性能评估方法

功率流方法是目前比较全面的一种隔振性能评估方法，它从能量传递的角度，通过力和速度两个变量对振动进行评估，其表达式为P=F·˙，其中，F和˙分别代表某一点的作用力和速度的瞬时值[6–7]。对于简谐变化的力和速度，其表达式为

则在一段时间内平均功率流的表达式为

将F和˙的共轭分别表示为F∗和，则

用于评估隔振性能的功率流落差的表达式为

其中Pin为激励设备处的输入功率，Pout为基座处的输出功率。

2 间断肋式筏架的研究

2.1 筏架结构设计

改变筏架中肋板的结构，提出一种新型的筏架——间断肋式筏架。具体结构设计为：

（1）在激励设备安装处采用十字形肋板，上层隔振器的四个安装点布置在十字形肋板周围；

（2）筏架四周采用完整的长肋板，十字形肋板与周围长肋板之间形成一定距离的间隔。其设计原理为：一、适当增加了筏架上振动输入处的柔性，提高了筏架的弹性特征，使筏架产生更多的模态，振型中包含更多的扭转；二、利用筏架中的间断肋式结构吸收消耗一部分振动能量，使传递到基础的能量减少；三、筏架四周采用完整的长肋板，保证筏架满足一定的刚度要求。结构设计图如图1所示（为了观察肋板的结构，此处隐藏了筏架的上层面板），传统式筏架由2 m×0.02 m×0.2 m纵肋板与1 m×0.02 m×0.2 m横肋板交叉组成，间断肋式筏架在上层隔振器安装位置处采用了0.50 m×0.02 m×0.2 m间断肋式十字肋板，筏架四周采用2 m×0.02 m×0.2 m纵肋板与1 m×0.02 m×0.2 m横肋板。

2.2 筏架动力特性研究

为了研究间断肋式筏架的动力特性，利用数值软件Ansys计算了1 000 Hz内的模态，并与传统式筏架进行了对比研究。数据如表1所示（不包括前6阶刚体模态）。

数据表明，在1 000 Hz内，间断肋式筏架比传统式筏架多产生了两阶模态，通过对比振型图得知，多出现的2阶模态频率分别为675.05 Hz和976.02 Hz，如图3所示，筏架的这2阶振型中都出现了较大的扭转。

通过对比全部振型图可知，在低频段内，两种筏架的振型基本保持一致，但在中高频段，间断肋式筏架振型中出现了较多的扭转。如图4所示，传统式筏架第15阶的振型为两次弯曲，与此相对应的间断肋式筏架的振型则由于产生了扭转而变得较为复杂。

表1 两种筏架的模态频率/Hz

2.3 数值计算研究

在建立系统动力学模型过程中，进行了合理的简化，用等质量块来模拟上层激励设备并建立了刚性区域；用SHELL63单元模拟了一个带有厚度的弹性基座；中间筏架用SOLID45实体单元来模拟；隔振器采用弹簧阻尼单元COMBIN14进行模拟，由于COMBIN14单元是单方向的，故每一个隔振器都用3个COMBIN14单元来模拟，使其具有三个方向的刚度与阻尼。根据设计要求，上下两层隔振器的安装位置如图5所示（“×”为上层隔振器，“O”为下层隔振器），系统的数值模型如图6所示。

2.4 计算结果分析

利用有限元软件分别对传统式浮筏系统与间断肋式浮筏系统进行了0～1 000 Hz内谐响应分析，提取了激励设备端的输入功率流及下层隔振器与基座连接处的输出功率流，通过功率流落差的方法对隔振效果进行了评估，计算结果如图7所示。

图2 筏架结构三维图

图3 间断肋式筏架多产生的2阶振型

图4 两种筏架振型对比

图5 隔振器安装位置示意图

从功率流落差对比曲线可以看出，在0～200 Hz频段内，间断肋式浮筏与传统浮筏的隔振效果相差不多，间断肋式浮筏略好；随着频率的增大，间断肋式浮筏系统比传统式隔振系统具有更好的隔振效果，在400 Hz～1 000 Hz频域，间断肋式浮筏的隔振效果达到50 dB左右，高出传统式浮筏15 dB左右。其原因是，由于间断结构的存在，间断肋式筏架产生了较多的模态，振动能量更加分散，而且在中高频段内的振型包含有更多的扭转，这使得传向基座的功率流的传递率变小，基座产生的振动响应变小；此外，与低频段振动波相比，中高频段振动波的波长较短，在间断性筏架中传播时更容易发生反射和衰减，能够消耗掉更多的振动能量。因此，间断肋式浮筏在中高频段的隔振效果要优于传统式浮筏。

图6 浮筏隔振系统的数值模型

图7 两种隔振系统功率流落差对比曲线

对间断肋式筏架的设计过程、动力特性及隔振性能进行了分析研究，结果表明：

（1）间断肋式筏架的设计及动力特性具有一定的合理性与可行性，由其组成的浮筏隔振系统能够对激励设备进行有效的隔振，隔振效果可以达到50 dB左右；

（2）与传统式浮筏系统相比，间断肋式浮筏系统隔振性能更加突出。所得有益结论对振动控制工程中筏架的设计具有一定的积极意义。

3 结语

[1]张衡，秦春节，胡夏夏.框架浮筏功率流的有限元分析［J］.轻功机械，2013，31(1)：32-35.

[2]张蔚波，牛军川，宋济平.功率流分析中的柔性振源子系统[J].机械工程学报，2007，43(1)：129-138.

[3]严谨.结构不连续对输流管道振动波传播的控制影响[C].第四届全国船舶与海洋工程学术会议论文集，2009：49-52.

[4]彭亮.浮筏隔振系统的结构优化研究[D].北京：中国舰船研究院，2015：12-18.

[5]朱石坚，楼京俊，何其伟，等.振动理论与隔振技术[M].北京：国防工业出版社，2008：20-30.

[6]余林波，黄其柏，张永波.双层浮筏隔振系统筏体结构与隔振特性的研究［J］.噪声与振动控制，2007，27(4)：7-9.

[7]杨德庆，罗放，陈静.有限元功率流落差计算方法研究［J］. 噪声与振动控制，2009，29(6)：382-393.

Dynamic Characteristics and Vibration Isolation Performance of Discontinuous Ribbed Raft Frames

SI Gui-hai1,2,GAO Fang-qing1,CHEN Yan-bei1,ZHANG Ming-lu1,GUO Qiang2
（1.School of Mechanics and Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Zhuzhou Times New Material Technology Co.Ltd.,Zhuzhou 412000,Hunan China）

The dynamic characteristic of the raft frame is an important factor affecting the vibration isolation performance of the floating raft system.In this paper,a new type of discontinuous ribbed raft frame structure is put forward.A complete three-dimensional model of the raft system is established based on the finite element analysis code Ansys to analyze its dynamic characteristics.The vibration isolation performance of the discontinuous ribbed raft frame is analyzed using the power flow evaluation method and compared with that of the traditional floating raft.The research shows that the vibration isolation performance of the discontinuous ribbed raft frame system is superior especially in the middle and high frequency ranges.

vibration and wave;vibration control;discontinuous ribbed raft frame;floating raft system;power flow;finite element analysis

O328

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.010

1006-1355(2017)05-0046-04

2017-03-13

司贵海(1989－)，男，成都市人，研究生，主要研究方向为振动理论与隔振技术。

E-mail:sguihai@126.com

高芳清，男，硕士生导师。

E-mail:gfq_vib@163.com