第３１卷第２期 机电产品开崖岛 新 ＶＯＩ．３１．Ｎｏ．２ ２０１８年３月 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｍｔａｒ．．２０１８ 文章编号：１００２—６６７３（２０１８）０２—０４５—０３ 水下航行器浮筏隔振系统研究 郑学贵．刘晓丽 （渤海船舶职业学院动力工程系，辽宁葫芦岛１２５１０５） 摘要：在浮筏隔振技术的基础上。论文首先通过实验验证了有限元建模的正确性和浮筏隔振系统的隔振 效果。并通过有限元软件分析了当浮筏隔振系统的结构参数（壳体刚度、筏体质量比、阻尼、隔 振器刚度）发生变化对隔振系统的影响。 关键词：浮筏；隔振；有限元 中图分类号：Ｕ６６１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－６６７３．２０１８．０２．０１５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｔｈｅ Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｒａｆｔ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ ＺＨＥＮＧ Ｘ 一Ｇｕｉ．ＬＩＵ Ｘｉａｏ－Ｌｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＰｏｗｅｒ Ｅｎｇ，Ｂｏｈａｉ Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｖａｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｕｌｕｄａｏ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １２５００５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆｍｕｌｔｉ—ｓｔａｇｅ ｍｏｕｎｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ），ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｅｓｔｉｉｆｅｓ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ａｎＭｙｓｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ（ｓｔｉｆｎｅｓｓ ｏｆ ｓｈｅｌｌ，ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ，ｓｔｉｎｆｅｓｓ ｏｆｉｓｏｌａｔｉｏｎ，ｄａｍｐｉｎｇ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ）ａｒｅ ｃｈａｒｇｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｗｏ—ｓｔａｇｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｌｏａｔｉｎｇ ｒ ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ 表１宽频带随机激励下振级落差总表 ０引言 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ｕｎｄｅｒ ｗｉｄｅ—ｂａｎｄ ｒａｎｄｏｍ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ 大量研究表明。水下航行器的噪声主要来自于其动 试验方案 振级落差（ｄＢ） 力装置［１Ｊ。目前水下航行器主要采用单层隔振，通过对隔 频段：１Ｈｚ～２ｋＨｚ 频段：４ｋＨｚ～５ｋＨｚ 振材料和安装方式来降低水下航行器的壳体噪声。随着 无筏体、无油 １１．Ｏ ２５．５ 无筏体、加油 ９．６ １１．７４ 浮筏隔振技术的日益成熟，浮筏隔振技术已成功的运用 有筏体Ａ、无油 １９．Ｏ 到许多舰船的减振降噪上，目前所设计浮筏隔振系统为 有筏体Ａ、加油 １３．０ 保证隔振效果，一般筏体同动力装置的质量比保持在０．５～ 有筏体Ｂ、无油 ２９．４ ３７．９ １．１之间『２１３１。但设计者为保证水下航行器的隐蔽性和航行 注：圆筒形筏体，简称筏体Ａ；圆筒形开孔筏体，简称筏体Ｂ；在动力 速度．往往对水下航行器的质量有极其严格的要求，这成 装置与壳体之间加油，简称加油。有筏体Ｂ、无油方案的动力舱段固 为水下航行器使用浮筏隔振系统的障碍。小质量比浮筏 有频率为：５０、６６、６６２、７１２Ｈｚ。 隔振系统在质量上能够很好地满足水下航行器对隔振系 １．２试验结果分析 统质量的要求，但随着筏体质量的降低，系统各参数对隔 通过试验的数据记录处理。并对数据进行分析得出： 振的影响也随着变大。本文针对小质量比浮筏隔振系统 （１）由振级落差试验数据表１可见，采用浮筏双层隔 的各个参数加以研究，并分析它们对隔振的影响。 振比单层的隔振效果都好，特别在高频区。例如，有筏体 Ｂ、无油。双层隔振方案与无筏体、无油，与单层隔振相比 １水下航行器动力舱段试验结果和有限元 振级落差有了大幅度的提高。 计算结果对比 （２）试验中发现浮筏隔振系统的隔振效果并不是在所 １．１试验结果嗍 有频段内均相同。其隔振效果与整体系统的耦合特性有 关。特别在低频段，在筏体耦合系统模态频率附近，隔振 修稿日期：２０１８—０２—０２ 作者简介：郑学贵（１９７７－），男，工学硕士，副教授。 主要从事 效果大大降低。因此在有的频段应力求避免系统的耦合 船舶动力工程及轮机工程技术研究与教育。 共振。由此可见，为保证系统的隔振效果必须对系统进行 ４５ ·制造业信息化· 动态特性分析。 （３）总体上来说，对柔性隔振系统而言，４—５ＫＨｚ的隔 振效果要比２ｋＨｚ以下的要好，见表１。 （４）当动力舱段中加油时，油会引起的振动传递短路， 人 Ｉ 一恩… — ＿一 造成浮筏隔振系统的隔振效果下降。这同有关报道的结 果相一致。 （５）在高频段，中问开孔的筏体具有良好的隔振效果。 这表明中间筏体的质量可进一步减小。结果说明设计一 种既有隔振效果．质量又轻的浮筏装置具有可能性。小质 一 ‘ 。 每 — 图１不同壳体刚度在单位力激励下的位移响应曲线 Ｆｉｇ．１ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｈｅｌｌ ｓｔｉｆｎｅｓｓ ｕｎｄｅｒ ｕｎｉｔ ｆｏｒｃｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ 量比浮筏隔振系统在水下航行器的减振降噪上具有良好 的应用前景。 ２．２筏体质量比对隔振效果的影响 对于理想的双层隔振系统而言．其隔振传递率曲线有 两个峰值，分别对应于系统的两个安装频率。第一安装频 率主要与筏体上下隔振器的刚度、设备和筏体的质量有关， 而第二阶安装频率则和同筏体与被隔振的质量比有关。随 １．３有限元计算结果 为验证有限元计算的正确性针对有筏体Ｂ、无油方 案的动力舱段建立有限元模型，建模时按实体进行１：１ 建模．计算时采用和试验相同的材料，采用四面体单元进 行网格划分，单元共有３８５６０个。 表２水下航行器动力舱段固有频率 Ｔａｂ．２ Ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ｐｏｗｅｒ ｐａｒｔｓ 着质量比的增加．第二安装频率向第一安装频率靠近。众 所周知，对于双层隔振系统而言，当扰动频率处于两个安装 频率之间时，振动的损失通常很小，甚至被可能放大，而其 第二安装以后的隔振传递率是按每倍频２４分贝的速度下 降，这就是为何要对筏体质量有一定要求的主要原因。 尽管大质量的筏体有一定的优越性。但是往往带来 装置笨重、结构尺寸过于庞大的缺点。特别对于水下航行 器而言，由于其对装置的质量控制极其严格，因而必须采 序号 有限元计算结果（Ｈｚ） 试验结果（Ｈｚ） ｌ ２ ３ 相对误差％ ＋２．４８ ＋４．９７ ５２３ ６８．４ １Ｏ１．５ ５１ ６５ ４ ５ ６ ｌ ７ ８ ９ ２６３．０ ３３７．０ ６５８．３ ７１７．５ ７２６．８ ７４７．６ ６６２ ７１２ 一Ｏ．５６ ＋Ｏ．７６ 用质量尽可能小的筏体结构。 图２筏体同动力装置的质量比依次为０．１８５、０．１２、 ０．１ｌ３、０．１０，筏体结构依次为不开孔、开四个孔、开十二个 孑Ｌ、开十八个孔。简称为：质量１、质量２、质量３、质量４。 Ｅ－０５ Ｅ－０６ Ｅ－０７ Ｅ－０８ ． 说明：有些频率在试验中未能测到．其原因是模态变形方向和测量方 向垂直 从表２可以看出有限元计算结果同试验基本相同 说明有限元计算可靠，边界条件合理。 ＼ｒ Ｙ 二 ～ 、 、 ≤ 一＝＿ ２系统各参数对隔振的影响分析 ２．１壳体刚度对系统振动传递的影响 采用三种材料来研究壳体刚度对振动传递的影响。 在保证可提质量不变的情况下．选用了三种弹性模量不 同的材料，材料１的弹性模量是材料２的１０倍、材料３ Ｅ－０９ Ｅ一１０ Ｅ一１１ Ｖ ， ｌ ５００ ｌＵＩＪＵ ｌ 【儿】 一 蝎 ２２ｕＵ １ 匿 Ｌ一 Ｕ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（Ｈｚ） 图２不同质量比筏体动力舱段位移响应Ａ Ｆｉｇ．２ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ａ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｐａｒｔｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ 的弹性模量是材料２的１／１０倍．在三种材料下计算所得 壳体位移响应曲线如图１所示。由图１可以看出三种材 从图２可以看到质量２、３、４的曲线在０￣４００Ｈｚ基本 重合其原因为质量２、３、４相差不大，在随后的频率中质量 ２的变化最平稳且在１８００Ｈｚ后的位移最小，则于其的质量 在二三个方案中最大有关，质量３在ｌ５００Ｈｚ以后的位移也 小于质量４，这说明筏体的质量比越大隔振效果越好，这一 结果同振动理论的有关观点一致。质量１的质量比最大，但 料在前几阶的固有频率几乎相同．平率在２５０～９５０阶段。 材料１、材料２的位移响应曲线基本重合，材料３的响应 曲线的变化明显大于材料１和材料２。由此我们认为对 于水下航行器动力舱段来说不能简单地说壳体的刚度大 小对振动传递是好是坏。要根据整个系统的动态特性来 分析。由于壳体的声辐射能量主要为低频．为了进一步降 低水下航行器的壳体声辐射，我们可通过加大壳体的刚 度，提高壳体的固有频率来实现。 其位移并不是最小，这是因为在１５００Ｈ中的范围内其频率 大多为径向振动频率，因而对径向振动的较为灵敏。 图３筏体同动力装置的质量比依次为０．１０、０．１６，筏体 结构均为不开孔。简称为：质量５、质量６。图３中由于筏体的 ·制造业信息化· 结构基本相同，因此可以看到质量大的筏体隔振效果较好。 ０．０１、０．０２、０．０４。计算结果表明阻尼的作用对隔振有益，可 以有效地抑制系统的共振响应，特别使在１０００Ｈｚ以下的 频率范围内。并且对于２０００Ｈｚ的中频阻尼亦有隔振效 果。但当阻尼从０．０１提高到０．０４时阻尼的作用不再那么 明显，这说明阻尼只能降低共振处的振动响应．并不能较 大地改变系统的振动特性。 ２．０ｏＥ—０２ １．０ｏＥ—０３ Ｉ ｝｛； ｄ－ … Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（Ｈｚ） １．Ｏ０Ｅ一０４ 图３不同质量比筏体动力舱段位移响应Ｂ Ｆｉｇ．３ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｂ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｐａｒｔｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ １．ｏ０Ｅ—Ｏ５ １．ｏｏＥ—Ｏ６ １．００Ｅ－０７ １．Ｏ０Ｅ一０８ ｌ 二士 ， 综合图２、图３．我们认为对于小质量比的浮筏装置来 说不能简单地说质量比越大隔振效果越好，筏体的结构变 化所引起的动态特性对最终隔振效果有很大的影响。 一— 呻十 。— 一一 ０ ｆ， Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（Ｈｚ） 般来说对于结构相近的筏体同动力装置的质量比 图５不同阻尼下的传递曲线 Ｆｉｇ．５ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ａ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｄａｍｐｉｎｇ 越大隔振效果越好．但在进行隔振设计时不能简单通过 一Ｉ一 ０ｇ∞ｇＩｄ∞ｌ（１ 增加筏体的质量来提高隔振效果，必须充分利用筏体的结 ３总结 随着浮筏隔振系统质量比的减小，许多原先对隔振 构来改变系统的动态特性，减小耦合的发生。另一方面，如 果能充分考虑筏体的动态特性避开系统的固有频率，小质 传递率影响不大的相关参数。变得敏感起来。通过对壳体 的刚度、质量比、隔振器的刚度、阻尼的计算分析我们发 现以下规律： 量比的浮筏隔振系统一样可以取得较好的隔振效果。 ２．３隔振器刚度对振动传递的影响 取第一种类型的中间筏体．取第四种类型“０”型圈隔振 器为研究对象．以橡胶材料的弹性模量Ｅ２＝５．６８ｘ１０６Ｎ／ｍ 为基础，再取Ｅｌ＝０．１Ｅ２、Ｅ３＝１０Ｅ２分别加以计算，以比较 隔振器刚度对其固有频率的影响。 对于水下航行器浮筏隔振系统来说，提高壳体的刚度可 以提高系统的频率，有助于减小水下航行器的低频声辐射。 对于小质量浮筏隔振系统来说，增加筏体同动力装 置的质量比可以系统的隔振效果。但筏体的结构的变化 对最终隔振效果的影响也不容忽视。在设计时应充分利 用筏体的结构的变化来改变系统的动态特性，减小耦合 的发生．同时充分考虑筏体的动态特性以避开系统的固 有频率。达到较好的隔振效果。 通过图４可以看到隔振器刚度对系统的固有频率的 影响很大。随着隔振器刚度的增加系统的固有频率也随 着增加，这同振动理论相符合。从这个系统的模态变形看 前７阶都是隔振器变形，其他部分呈刚体运动状态，因此 可通过降低隔振器的刚度来降低系统的固有频率．起到 好的隔振效果。三种刚度的隔振系统均有１０９３、１１００Ｈｚ 附近的频率，从系统的模态变形发现这几阶变形为壳体 通过增加系统的阻尼可以大大地降低共振处的振动 响应，但阻力的改变并不能较大地改变系统的振动特性。 通过对隔振器的刚度的变化．可以调节系统的固有 变形，因此它们均有这些频率。 频率。因而可以通过调节隔振器的刚度来改变系统的固 有频率，有效地避开系统的扰动频率。 因此在设计小质量比浮筏隔振系统时，必须分析各 个参数对系统固有特性及隔振效果的影响；通过有限元、 波动法等计算方法对筏体的动态特性，综合考虑筏体模 态，基础非刚性的影响．才能最终设计出具有良好隔振效 果的，稳定性又好的小质量比的浮筏隔振系统。 参考文献： ：１ ｌ６４００ 哥一，■一卜Ｅ２二二——二—————一——————————————————————————————————————一—＝—＝ｊ１ １２００ －－ｌ １０００ 雾巨主垂 Ｆｉｇ．４ Ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｕｒｖｅ 一．．￣ｉ 【１】汤渭林，刑文华，陈文章，等．某船主要噪声源研究技术总结报告 ［ｚ】．中国船舶科技报告，１９９６． ２．４阻尼对振动传递的影响 对于小质量比浮筏隔振系统来说，动力装置、减振元 【２］沈荣赢，卢峥．ＭＴＵ柴油发电机组隔振装置振动固有特性分析［Ｊ１＿ 噪声与控制。１９９６． 件、筏体和水下航行器壳体组成了一个耦合系统，浮筏阻 尼对总隔振效果的影响必须加以考虑。图５给出了小质 ［３】严济宽．机械振动隔离技术［１Ⅵｌ上海：上海科学技术文献出版社，１９８５． ［４】傅志方，方开翔，华宏兴，等．某水下航行器动力舱段浮筏隔振技 术报告［ｚ】．中国船舶科技报告，２０００，９． 量比时，几种阻尼比的计算结果。图中的阻尼分别为０、 ４７
