双层隔振系统与船体结构阻抗匹配性研究

吴 鹏，董佳欢，孙开念

（1. 驻上海地区第四军事代表室，上海 200090；2. 上海船用柴油机研究所，上海 200090；3. 江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引 言

随着增强船舶的舒适性和降低水下辐射噪声等方面的需求日益提高，船用动力设备减振、隔振技术在船舶上的应用越来越广泛[1-2]。根据船舶不同的振动噪声控制要求，常用的被动隔振形式主要有单层隔振、双层隔振和浮筏隔振等。目前，有关设备基座阻抗对隔振装置隔振性能的影响已有广泛认识和大量研究[3-5]。事实上，船体基座与船体结构是不可分割的，双层隔振系统与船体结构阻抗具有一定的匹配性，尤其是船体基座局部结构的强度会影响隔振装置的性能。

本文以某船泵组双层隔振装置为例，介绍船体基座局部结构刚度对双层隔振装置隔振性能的影响，通过有限元计算和实船测试分析船体基座振动响应过大的原因，提出有效的改进措施，说明船体基座局部结构刚度对双层隔振装置隔振性能的影响，为船体基座的阻抗设计提供参考。

1 支撑结构阻抗对隔振装置隔振效果的影响

隔振装置的隔振效果通常采用传递损失VR或振级落差LV评价[6]。安装在非刚性基座上的双层隔振装置见图1。

图1 安装在非刚性基座上的双层隔振装置

传递损失为

式(1)中：v1为机脚振动速度；v4为基座振动速度响应；ZL为非刚性基座的输入阻抗；T21和T22为传递函数。

振级落差为

由式(1)和式(2)可知：当ZL减小时，VR增大；当LV减小时，增大。

对于安装在非刚性基座上的双层隔振系统而言，基座振动响应不仅与设备的振动烈度和隔振装置的性能有关，而且与基座的阻抗特性密切相关。在相同情况下，基座的阻抗越大，振动响应越小。

2 泵组双层隔振设计及要求

对于科考船等需满足水下辐射噪声设计要求的船舶而言，应在设计初期开展发电机组、推进电机和辅机等动力设备的指标分解。对于海水泵、淡水泵等流量较大的泵组而言，只有进行双层隔振安装才能达到设计要求。泵组相关技术参数见表1。

表1 泵组相关技术参数

泵组双层隔振装置主要由泵组公共底座、隔振元件（上下层隔振器和挠性接管）和中间筏体等组成，本文研究的泵组双层隔振装置示意见图2。

图2 泵组双层隔振装置示意

隔振装置台架试验结果表明，该装置的隔振效果良好。实船安装之后，测试基座面板10处的振动加速度响应，测点示意见图3。通过能量平均的方式评估基座的振动情况。结果显示，船体基座面板的振动响应较大，未能达到预计的设计指标要求（见图4）。在125Hz和160Hz中心频率处，振动响应存在异常。在设计双层隔振装置过程中，经计算垂向系统频率远小于该频率，判断可能是由中间筏体固有频率和船体结构引起的。

图3 基座面板测点示意

图4 双层隔振装置实船隔振效果测试及设计要求

由图4可知，中间筏体在125Hz和160Hz中心频率处的振动明显小于基座振动响应，因此判断中间筏体不是引起基座振动异常的原因。

3 隔振系统振动的有限元计算分析

建立隔振装置所在舱段双层底的有限元模型（见图5）。建模原则如下：

1) 模型边界为船长和船宽方向的强结构，如实肋板、横纵舱壁等；

2) 在强结构处进行边界约束，根据实际情况选用对称约束和铰支；

3) 根据计算频率选取合适大小的网格，保证计算精度。

图5 隔振装置所在舱段双层底有限元模型

通过对底部舱段模态进行计算可知，148Hz频率附近船体内底板板格存在局部模态（见图6），这与基座在125Hz和160Hz中心频率处的振动响应过大存在一致性。因此，建议在内底板下方基座处进行结构加强，分别在基座底部增加3根加强筋，即尺寸为150mm×12mm的扁钢。图7为局部结构加强之后148Hz频率对应的结构模态。

图6 内底板板格局部模态（148 Hz）

图7 局部结构加强之后148 Hz频率对应的结构模态

4 实船测试结果

对基座所在双层底进行局部结构加强，即在基座下方焊接3处尺寸为 150mm×12mm的扁钢。通过测试水泵4个机脚的振动加速度，采用能量平均的方式得到机脚振动，设备机脚总振级为122dB，基座总振级为88dB。总振级计算公式为LV总=10lg(Σ10^(LVi/10))，其中LVi为各频带对应的振动级。

隔振效果采用振级落差评价，计算公式可表示为L=L0-L1，其中：L0为设备机脚振动级，dB；L1为基座振动级，dB。由此可得该隔振装置的隔振效果为34dB（见图8）。

图8 内底板加强前后振动响应对比

5 结 语

本文针对实船安装隔振装置之后其基座振动响应过大的问题，通过有限元计算分析和实船测试验证，分析说明船体局部结构与双层隔振系统的匹配性问题，主要得到以下结论：

1) 为保证隔振装置的性能，需对船体支撑结构提出阻抗要求，包括船体基座和船体局部结构组成，尤其是船体局部结构需进行加强；

2) 采用有限元对船体局部结构进行模态分析，对隔振装置基座所在船体局部结构加强具有一定的指导意义。