船舶浮筏系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響因素研究

1、43卷第1期(總第156期中國(guó)造船V o l .43N o .1(Serial N o .1562002年3月SH IPBU I LD I N G O F CH I NA M ar .,2002文章編號(hào):100024882(20020120043209收稿日期:2001202218;修改稿收稿日期:2001206206船舶浮筏系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響因素研究王國(guó)治,李良碧(華東船舶工業(yè)學(xué)院機(jī)械系,江蘇鎮(zhèn)江212003摘要在船舶浮筏隔振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性研究中,以往的剛體分析模型會(huì)在高頻段造成很大誤差。本文從基于有限元的彈性體模型出發(fā),對(duì)隔振系統(tǒng)的多種方案進(jìn)行了模擬激勵(lì)下的響應(yīng)分析,討論了影響浮筏隔振

2、性能的結(jié)構(gòu)與材料因素,如隔振支承剛度與阻尼、筏體的剛度與阻尼、浮筏基座剛度與阻尼等。通過船模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建立的動(dòng)力學(xué)模型,通過靈敏度分析得到振動(dòng)傳遞率與各影響參數(shù)間的關(guān)系。關(guān)鍵詞:浮筏系統(tǒng);隔振;靈敏度分析中圖分類號(hào):U 661.44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A(一前言對(duì)于船舶機(jī)械的振動(dòng)隔離以及船舶的減振降噪,以往的研究大多建立在剛體模型的基礎(chǔ)上,將機(jī)械設(shè)備連同機(jī)座視作為剛性極大的質(zhì)量體,通過彈性的隔振支承與船體基座相連,而船體結(jié)構(gòu)也同樣作為不考慮變形的基礎(chǔ)。因此,船舶機(jī)械的隔振設(shè)計(jì)較少考慮船體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),船體的振動(dòng)研究也未能與機(jī)械設(shè)備隔振系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性相聯(lián)系。實(shí)船試驗(yàn)表明,理論上的隔振效果與實(shí)測(cè)結(jié)果間

3、可以相差20dB 以上,其原因與所建立的隔振系統(tǒng)分析模型有關(guān)。本文從彈性體模型出發(fā),通過船舶浮筏裝置的振動(dòng)傳遞特性以及船體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性分析,對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)進(jìn)行了研究,并且通過船模試驗(yàn)對(duì)理論研究結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,闡述了浮筏系統(tǒng)內(nèi)在的動(dòng)力學(xué)特性。(二船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)的傳遞分析振動(dòng)理論中有關(guān)傳遞函數(shù)與模態(tài)參數(shù)間的基本關(guān)系式為1:H lp =N i =17li 7p i Ki -2M i +j C i (1式中:H lp 為結(jié)構(gòu)中任意兩點(diǎn)(激勵(lì)點(diǎn)p 與響應(yīng)點(diǎn)l 間的振動(dòng)傳遞函數(shù);K i 、M i 與C i 分別為結(jié)構(gòu)的第i 階模態(tài)剛度、模態(tài)質(zhì)量與模態(tài)阻尼;7i 為第i 階模態(tài)振型。在

4、復(fù)模態(tài)的情況下,也有類似的關(guān)系式:H (=Ni =17i 7i T a i (j -i +7i 37i 3T a i 3(j -i 3(2式中:i 為結(jié)構(gòu)的第i 階固有頻率;a i 為第i 階留數(shù);3表示共軛?？梢?船舶結(jié)構(gòu)中任意兩點(diǎn)間的振動(dòng)傳遞函數(shù)完全由結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)參數(shù)所決定,一旦確定了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣與阻尼矩陣,則從船舶動(dòng)力機(jī)械到船體結(jié)構(gòu)上任意點(diǎn)間的振動(dòng)傳遞關(guān)系即已確定。若考慮機(jī)械振動(dòng)量(速度或加速度的傳遞情況,則在式(1的基礎(chǔ)上,從船舶機(jī)械設(shè)備的機(jī)座p 到船體結(jié)構(gòu)上任意點(diǎn)l 間的傳遞函數(shù)T lp 可表示為:H lp (=H lp (H p p (=Ni =17li 7p i K

5、 i -2M i +j C i N i =17p i 7p i K i -2M i +j C i =Z p p (Z lp (3式中:H p p (為原點(diǎn)導(dǎo)納;H lp (為跨點(diǎn)導(dǎo)納;Z p p (為輸入阻抗;Z lp (為傳遞阻抗;Z p p (與H p p(對(duì)于每一個(gè)頻率互為倒數(shù),Z lp (與H lp (亦如此。因此,船舶動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)V p 與船體結(jié)構(gòu)上任意點(diǎn)l 處的振動(dòng)響應(yīng)R l 間有如下關(guān)系:R l (=T lp (V p (4上式給出了船舶動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)特性、隔振系統(tǒng)的傳遞特性與船體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性三者間的基本關(guān)系,使得我們可以從船舶機(jī)械的振動(dòng)出發(fā),依據(jù)浮筏系統(tǒng)的傳遞特性,得出船體

6、結(jié)構(gòu)各處的振動(dòng)響應(yīng)。需要指出,浮筏系統(tǒng)的傳遞特性并不局限于隔振裝置對(duì)于機(jī)械振動(dòng)的隔離特性,而是包括了機(jī)械設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)在內(nèi)的整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。在以往剛體模型的假定下,船舶機(jī)械設(shè)備及機(jī)座作為集中質(zhì)量處理,船體結(jié)構(gòu)作為不計(jì)變形的剛性基礎(chǔ)。在雙層的浮筏隔振情況下,該系統(tǒng)一般具有12個(gè)振動(dòng)模態(tài),包括機(jī)械設(shè)備與中間筏體的垂向、橫向與縱向振型以及縱搖、平搖與橫搖等振型,較復(fù)雜的情況下還有一定數(shù)量的耦合振動(dòng)模態(tài)存在。隔振設(shè)計(jì)的任務(wù)是合理配置隔振參數(shù),使得這些振動(dòng)模態(tài)盡可能地分布在一個(gè)較窄的頻率范圍內(nèi),以便使機(jī)械設(shè)備的主要擾動(dòng)頻率避開這些振動(dòng)模態(tài)的頻率2。由于船體結(jié)構(gòu)與動(dòng)力機(jī)械事實(shí)上不能視為剛體,尤其

7、是在船舶浮筏系統(tǒng)向著大型化、輕型化的方向發(fā)展時(shí),它們的彈性振動(dòng)模態(tài)向著低頻方向移動(dòng),必然對(duì)隔振系統(tǒng)的低頻振動(dòng)傳遞特性產(chǎn)生重要影響。筏體、設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)的高階振動(dòng)模態(tài)也同樣影響到中、高頻段的機(jī)械振動(dòng)傳遞特性。這些因素將影響到船舶振動(dòng)與噪聲預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性、影響到對(duì)船舶機(jī)械隔振系統(tǒng)的效果評(píng)估。因此,必須建立起包括機(jī)械設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)在內(nèi)的船舶浮筏系統(tǒng)的彈性體模型,這是研究船舶機(jī)械振動(dòng)傳遞規(guī)律、控制船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲的前提。在建立浮筏系統(tǒng)的彈性體分析模型時(shí),目前最有效的仍是有限元技術(shù)。由實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致的高頻區(qū)振動(dòng)模態(tài)密集的問題,使得利用模態(tài)參數(shù)研究結(jié)構(gòu)的高頻振動(dòng)特性發(fā)生困難。然而我們可以利用有限元技術(shù)

8、的特點(diǎn),采用響應(yīng)求解的方法,直接從載荷與結(jié)構(gòu)的復(fù)剛度矩陣求得其振動(dòng)響應(yīng)。為保證分析結(jié)果的精度,單元的劃分應(yīng)足夠精細(xì)(工程上要求其尺度小于1 6振動(dòng)波長(zhǎng)。于是,我們可依據(jù)(4式,通過計(jì)算分析船體結(jié)構(gòu)對(duì)于機(jī)械激勵(lì)的振動(dòng)響應(yīng),揭示船舶浮筏系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。(三基于有限元的振動(dòng)響應(yīng)求解方法設(shè)船舶結(jié)構(gòu)經(jīng)有限元離散后的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣與阻尼矩陣分別為K 、M 與C ,該系統(tǒng)在外力F 作用下的運(yùn)動(dòng)微分方程為:M U +CU +KU =F (5式中,U U 與U分別為船舶有限元模型各節(jié)點(diǎn)的位移、速度與加速度響應(yīng)。將位移與載荷按實(shí)部與虛部分解得到:U =(U 1+i U 2 ei t (6F =(F 1+i

9、F 2 e i t (7式中:U 1與U 2分別為位移的實(shí)部與虛部;F 1與F 2分別為載荷的實(shí)部與虛部;為圓頻率。于是,(5式可改寫成:(K -2M +i C (U 1+i U 2=F 1+i F 2(844中國(guó)造船學(xué)術(shù)論文上式右邊為載荷項(xiàng),而左邊每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)的慣性載荷、阻尼載荷與彈性載荷可從船舶的結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)計(jì)算得出。單元慣性力載荷(實(shí)部、單元阻尼力載荷(實(shí)部和單元彈性力載荷可分別表示為:F m 1e =(22M e u 1e(9F c 1e =-2C e u 2e (10F k 1e =-K e u 1e +F e e (11式中:F e e 為單元影響載荷(壓力、加速度與重力等;u

10、1e 與u 2e 分別為單元位移的實(shí)部與虛部;M e 、C e 與K e 分別為單元質(zhì)量矩陣、單元阻尼矩陣與單元?jiǎng)偠染仃?它們可從下式計(jì)算得到:M e =N T N d v (12K e=B T DB t d s (13C e =N TN d v (14式中:N 、B 與D 分別為形函數(shù)矩陣、幾何矩陣與彈性矩陣;為材料的密度;t 為單元的厚度;為阻尼系數(shù)。與某一節(jié)點(diǎn)相接的所有單元的三種類型載荷相加,即可得出此節(jié)點(diǎn)的總載荷F c 。于是可將(8式寫成:K c U c =F c(15式中:c 表示復(fù)矩陣或向量;K c 、U c 與F c 分別表示復(fù)剛度矩陣、復(fù)位移與復(fù)載荷向量。計(jì)算時(shí),先對(duì)每個(gè)單元

11、求出單元?jiǎng)偠染仃嘖 e ,然后將每個(gè)子塊K ij 送到整體剛度矩陣中的對(duì)應(yīng)位置,最終得到整體的剛度矩陣K c 。在代表船舶機(jī)械設(shè)備機(jī)座部位的節(jié)點(diǎn)處施加載荷F c ,對(duì)(15式進(jìn)行求解,便可得到船體結(jié)構(gòu)上任意節(jié)點(diǎn)處的振動(dòng)響應(yīng),再?gòu)?4式進(jìn)一步得到振動(dòng)的傳遞特性。于是,我們?cè)谟邢拊幕A(chǔ)上建立了浮筏系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,并可由此對(duì)船舶機(jī)械振動(dòng)的傳遞規(guī)律進(jìn)行研究。在已知船舶機(jī)械振動(dòng)的情況下,進(jìn)一步得到實(shí)船結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。(四浮筏系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響因素分析為了研究船舶浮筏系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,揭示船舶機(jī)械振動(dòng)沿隔振支承的傳遞規(guī)律,我們以帶有雙層的浮筏隔振裝置的某船模為背景,通過有限元建模以及模擬激勵(lì)下的響應(yīng)

12、求解,得到特定方案時(shí)振動(dòng)傳遞函數(shù),為探索浮筏系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性準(zhǔn)備了必要的數(shù)據(jù) 。圖1船舶浮筏系統(tǒng)的有限元模型首先,在計(jì)算機(jī)上對(duì)船模進(jìn)行網(wǎng)格劃分,將其離散化為三維的有限元模型(見圖1。船體各部位(包括浮筏裝置分別處理為板殼單元、彈性單元與實(shí)體單元,得到船體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣,并在比例阻尼的假定下得到其阻尼矩陣?？紤]到船舶在海上的航行狀態(tài),邊界條件處理時(shí)將船體作為自由狀態(tài)。在該模型上可調(diào)整的參數(shù)包括:浮筏裝置的上下層支承剛度與支承阻尼,中間筏體的質(zhì)量、剛度與阻尼,隔振設(shè)備的機(jī)座結(jié)構(gòu)剛度與阻尼,浮筏裝置基座結(jié)構(gòu)的剛度與阻尼、動(dòng)力艙段的船體外板厚度與內(nèi)側(cè)肋板的厚度等。激振部位選在隔振設(shè)備的機(jī)腳部

13、位,在020kH z 的范圍內(nèi),以100H z 為步長(zhǎng),采用一定力幅的方式進(jìn)行模擬激勵(lì),并且計(jì)算船體各部位的振動(dòng)響應(yīng),得到從機(jī)械設(shè)備到船體各處的振動(dòng)傳遞函數(shù)5443卷第1期(總第156期王國(guó)治等:船舶浮筏系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響因素研究(見圖2。改變浮筏的結(jié)構(gòu)與材料參數(shù),可得到一系列新的傳遞函數(shù)曲線 。圖2浮筏系統(tǒng)的激勵(lì)、響應(yīng)與傳遞函數(shù)從眾多的方案計(jì)算結(jié)果可知,浮筏系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性呈現(xiàn)出共同的規(guī)律:低頻段存在著振動(dòng)放大現(xiàn)象,它取決于隔振裝置的固有特性;越過共振區(qū)后,振動(dòng)傳遞率按每倍頻程1520dB 的總趨勢(shì)下 降,其間存在著許多的干擾,這些干擾所引起的傳遞率的起伏亦可達(dá)1520dB ,它由船體結(jié)構(gòu)

14、的振動(dòng)模態(tài)所決定;振動(dòng)傳遞率最低可下降到-50-60dB ,其所在的頻帶與船體結(jié)構(gòu)的總剛度有關(guān);其后,振動(dòng)傳遞率又呈上升趨勢(shì),其間的起伏可達(dá)2035dB ,它由機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)模態(tài)所引起。當(dāng)然,上述數(shù)值與計(jì)算對(duì)象即船舶結(jié)構(gòu)有關(guān),但研究表明,建立在有限元基礎(chǔ)上的不同船舶浮筏的彈性體模型所反映的規(guī)律卻是相同的。通過對(duì)上述模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行的分析可知,影響船舶浮筏系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的因素,主要包括結(jié)構(gòu)的剛度與材料的阻尼等。它們的貢獻(xiàn)既依賴于擾動(dòng)力的頻率,也與機(jī)械振動(dòng)傳遞到的船體部位有關(guān),且不能簡(jiǎn)單地用正面或負(fù)面影響加以回答。由于這些因素對(duì)浮筏系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性有著舉足輕重的作用,故應(yīng)在船舶的減振降噪設(shè)計(jì)中得到

15、充分的考慮。為了進(jìn)一步說明這一點(diǎn),我們采用靈敏度分析的方法1,求得在特定的結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)下,浮筏裝置的振動(dòng)傳遞率隨著剛度與阻尼等參數(shù)的變化趨勢(shì),并且對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治雠c討論。圖3振動(dòng)傳遞特性對(duì)于支承剛度的靈敏度圖3給出了浮筏系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性對(duì)于隔振支承剛度的靈敏度。它反映了浮筏的上下層隔振支承剛度與正常值相比減小k 后,振動(dòng)傳遞率T 隨不同頻率的變化情況,即T k 。對(duì)其描述與傳遞率相同,通常用分貝數(shù)表示。從圖可見,減小浮筏系統(tǒng)的隔振支承剛度對(duì)于減小振動(dòng)沿支承的傳遞起著重要的作用。這一規(guī)律雖然已為人所熟知,但其隨頻率的變化程度卻較少得到描述。支承剛度的影響主要反映在低頻部分,隨著擾動(dòng)力頻率的

16、提高,減小支承剛度的正面影響越來越小。相反,隔振支承剛度的減小會(huì)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來嚴(yán)重影響,從而產(chǎn)生新的問題。因此,若要想控制船舶機(jī)械振動(dòng)64中國(guó)造船學(xué)術(shù)論文中的高頻成分的傳遞,調(diào)整支承剛度的努力是有限的 。圖4振動(dòng)傳遞特性對(duì)于支承阻尼的靈敏度圖4則給出了浮筏系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性對(duì)于支承阻尼C 的靈敏度,即T C 。它從另一角度揭示了支承參數(shù)對(duì)浮筏動(dòng)力學(xué)特性的影響 。在當(dāng)前船舶機(jī)械隔振中越來越多地采用重載荷隔振器的情況下,支承阻尼的影響應(yīng)該加以必要的注意。從靈敏度分析的結(jié)果可知,支承阻尼對(duì)于振動(dòng)傳遞的影響較為復(fù)雜,在數(shù)十赫茲的低頻段,阻尼對(duì)于抑制傳遞率的峰值起著正面的作用;頻率稍高時(shí),阻尼幾乎不

17、起作用;在更高的頻段里,阻尼卻起著負(fù)面的作用:阻尼越大、頻率越高,振動(dòng)沿支承的傳遞就越強(qiáng)。這與隔振系統(tǒng)的剛體模型所反映的規(guī)律相同。同樣,筏體剛度、筏體阻尼、浮筏基座剛度以及基座阻尼均對(duì)浮筏隔系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞率產(chǎn)生不同的影響。這些影響通常與頻率有關(guān),也與靈敏度分析時(shí)的當(dāng)前結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。圖5振動(dòng)傳遞特性對(duì)于筏體剛度的靈敏度圖5進(jìn)一步給出了浮筏系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性對(duì)于筏體材料彈性模量E 的靈敏度,即T E 。從圖可見,筏體剛度的提高并不能明顯減小振動(dòng)的傳遞,其只能改變傳遞率曲線中峰值的位置。在某些頻率處的峰值得到控制的同時(shí),在其它頻率處又形成新的傳遞高峰。事實(shí)上,這些峰與筏體本身的振動(dòng)模態(tài)有關(guān),筏體剛度

18、的改變使得模態(tài)頻率發(fā)生改變,導(dǎo)致傳遞函數(shù)曲線形狀的改變。從統(tǒng)計(jì)的角度看,筏體剛度的提高對(duì)控制低頻振動(dòng)的傳遞略為有利。對(duì)各種不同的靈敏度函數(shù)進(jìn)行的分析結(jié)果可知,筏體從板式改進(jìn)為框架式使得總剛度下降,對(duì)于控制中、高頻振動(dòng)的傳遞明顯有利。這一結(jié)果與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念間存在著差異,其原因在于傳統(tǒng)的方法建立在剛體模型基礎(chǔ)上,難以對(duì)中、高頻的動(dòng)力學(xué)特性作出正確的判斷。圖6則給出了浮筏系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性對(duì)于筏體阻尼C 的靈敏度,即T C 。從圖可見,筏體阻尼的提高對(duì)于隔振裝置的振動(dòng)傳遞率而言,在不同的頻段有著截然不同的作用。在6kH z 以下的中、低頻段,增加少量的阻尼對(duì)于抑制振動(dòng)的傳遞有利;而在6kH z 以

19、上的高頻段,由于阻尼的作用,振動(dòng)7443卷第1期(總第156期王國(guó)治等:船舶浮筏系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響因素研究48 中國(guó)造船 學(xué)術(shù)論文 圖 6振動(dòng)傳遞特性對(duì)于筏體阻尼的靈敏度 傳遞率卻隨著頻率的提高而上升。進(jìn)一步的研究表明, 隨著筏體阻尼的繼續(xù)增大, 即使達(dá)到高阻尼合 金的程度, 其對(duì)振動(dòng)傳遞的影響卻不再明顯增加, 一味增大阻尼只能收到事倍功半的效果。從靈敏度 分析得到的上述規(guī)律, 對(duì)于指導(dǎo)浮筏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。事實(shí)上, 阻尼的作用僅在筏體彈性變 形時(shí)存在, 利用阻尼進(jìn)行的減振應(yīng)與筏體結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)相結(jié)合而作統(tǒng)籌考慮。 圖 7振動(dòng)傳遞特性對(duì)于浮筏基座阻尼的靈敏度 浮筏基座的阻尼對(duì)振動(dòng)傳遞的

20、影響通常被認(rèn)為總是正面的, 即阻尼對(duì)抑制振動(dòng)的傳遞有利。然而 靈敏度分析的結(jié)果表明 ( 見圖 7 , 對(duì)于基座阻尼的評(píng)價(jià)也應(yīng)區(qū)別不同的頻段。增大阻尼使得 2500H z 以 下頻段的振動(dòng)傳遞率下降; 在頻率稍高時(shí), 其作用不明顯; 其后, 隨著頻率的提高, 基座阻尼卻有著負(fù) 面的影響。這種影響雖然不能與支承阻尼的負(fù)面影響相比, 但在個(gè)別頻率處也可達(dá) 3 4dB。因此, 單 方面地增大浮筏系統(tǒng)的基座阻尼并不是控制船舶機(jī)械振動(dòng)傳遞的有效辦法。 以上對(duì)船舶浮筏系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性所進(jìn)行的研究建立在基于有限元的彈性體分析模型的基礎(chǔ)上。在 將實(shí)際結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為有限元模型時(shí), 涉及到單元的選取、參數(shù)的選擇以及邊界條

21、件的確定等環(huán)節(jié), 其中 的每個(gè)環(huán)節(jié)都可能對(duì)分析結(jié)果帶來誤差。計(jì)算結(jié)果的可信度還需要通過一定的實(shí)物模型試驗(yàn)加以證 實(shí)。 ( 五 浮筏系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性的實(shí)驗(yàn)研究 為了對(duì)上一節(jié)中所闡述的浮筏隔振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行深入的研究, 我們以帶有浮筏隔振裝置 的船模為對(duì)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。該船?？傞L(zhǎng) 4575mm , 寬 650mm , 共分 9 個(gè)艙段。浮筏裝置位于后部 的動(dòng)力艙內(nèi), 它由兩臺(tái)直流電機(jī)、中間筏體、上下層隔振器以及基座組成。電機(jī)可調(diào)轉(zhuǎn)速并帶有偏心 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights r

22、eserved. 43 卷第 1 期 ( 總第 156 期 王國(guó)治等: 船舶浮筏系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響因素研究 49 質(zhì)量塊, 通過金屬橡膠隔振器支承于中間筏體上。筏體可更 換各種型式, 亦通過金屬橡膠隔振器支承于浮筏基座?；?則焊接在船底內(nèi)側(cè)的龍骨及肋板上。實(shí)驗(yàn)時(shí), 船體兩端用橡 膠繩懸掛在鋼梁上, 分別采用運(yùn)轉(zhuǎn)激勵(lì)與隨機(jī)激勵(lì)的方法使 隔振電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。與此同時(shí), 用加速度計(jì)測(cè)量電機(jī)、中間 筏體以及浮筏基座的振動(dòng); 通過 B &K2635 電荷放大器將加 速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度信號(hào), 并且經(jīng) H P35670A 雙通道頻譜分 圖 8浮筏隔振性能實(shí)驗(yàn)裝置 析儀進(jìn)行信號(hào)的數(shù)字處理, 得到浮筏隔振裝置

23、對(duì)應(yīng)于不同頻 率的振動(dòng)傳遞關(guān)系。浮筏隔振性能實(shí)驗(yàn)裝置如圖 8 所示。 對(duì)浮筏系統(tǒng)進(jìn)行的模擬計(jì)算可以涉及眾多的結(jié)構(gòu)與材料方案, 而模型實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)對(duì)其反映的最基 本的規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證。通過調(diào)整浮筏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu), 更換上、下層隔振器的型號(hào)、更換不同材料及尺寸的 中間筏體、對(duì)筏體采用不同的阻尼層處理, 共形成 9 種不同的實(shí)驗(yàn)方案。為清晰起見, 圖 9 僅給出了其 中的 3 種實(shí)驗(yàn)方案的結(jié)果。 圖 9不同隔振方案時(shí)的振動(dòng)傳遞實(shí)驗(yàn)結(jié)果 模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明, 振動(dòng)傳遞率通常在 10H z 附近的低頻部分為正值, 說明系統(tǒng)在此頻段存在 著共振。隨著頻率的提高, 傳遞率逐漸下降, 在數(shù)十赫茲的低頻段, 其下降趨勢(shì)為

24、 15 20dB O CT ( 具 體分布與系統(tǒng)的阻尼有關(guān) 。在傳遞率達(dá)到- 50dB 前后時(shí), 其不再繼續(xù)下降, 而是接連出現(xiàn)多個(gè)高峰。 由于這些峰的干擾, 振動(dòng)傳遞率的起伏最高可達(dá) 20dB 以上。對(duì)船體的模態(tài)試驗(yàn)表明, 這些干擾正是船 模自身結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的反映。傳遞率較高的 125H z、630H z 與 1250H z 頻帶正好包含了船體的幾階較強(qiáng) 的振動(dòng)模態(tài)頻率 ( 見圖 10 。隨著頻率的進(jìn)一步提高, 高頻段的振動(dòng)傳遞率也出現(xiàn)若干個(gè)高峰, 它們也 應(yīng)是結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的干擾。 圖 10船體振動(dòng)的機(jī)械導(dǎo)納譜 1994-2010 China Academic Journal Electro

25、nic Publishing House. All rights reserved. 50 中國(guó)造船 學(xué)術(shù)論文 可見, 模型實(shí)驗(yàn)得出的上述規(guī)律與本文上一節(jié)中的計(jì)算所預(yù)測(cè)的規(guī)律有很好的一致性, 筏體阻尼 對(duì)浮筏系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響亦與計(jì)算結(jié)果相吻合。剛體模型正是由于不計(jì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)而導(dǎo)致了傳 遞率估計(jì)上的難以接受的誤差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù), 確定了建模中的剛度、阻尼等參數(shù)的取值范圍, 從而完善了研究的內(nèi)容。對(duì)浮筏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的更詳細(xì)的闡述可在相關(guān)的文獻(xiàn)中找到 3 。 ( 六 結(jié)論 船舶浮筏系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性與船體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 在對(duì)浮筏系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究時(shí), 以往 的分界面的剛體分析模型

26、應(yīng)由彈性分析模型所取代。由于船體結(jié)構(gòu)以及機(jī)械設(shè)備自身的彈性變形, 使 得前者會(huì)在中、高頻段造成 20 30dB 以上的誤差, 后者能較正確反映浮筏系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性。 浮筏系統(tǒng)的隔振支承剛度與阻尼、筏體的剛度與阻尼、浮筏基座剛度與阻尼均會(huì)對(duì)振動(dòng)傳遞率產(chǎn) 生影響, 這些影響通常是復(fù)雜的, 需要按不同的頻段對(duì)其正面或負(fù)面的影響進(jìn)行分析。一般說來, 阻 尼的正面作用僅在低頻段, 而在中、高頻段卻常起負(fù)面作用。相對(duì)于支承剛度而言, 筏體剛度的影響 并不明顯。 在對(duì)浮筏系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析時(shí), 利用模擬激勵(lì)下的響應(yīng)求解方法, 可以從中得到傳遞規(guī) 律, 并且進(jìn)一步依據(jù)船舶機(jī)械振動(dòng)估計(jì)船舶結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)

27、。浮筏系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)的靈敏度分析方法對(duì) 于分析并確定浮筏系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響因素、指導(dǎo)船舶的減振降噪設(shè)計(jì)具有重要的價(jià)值。 參 考 文 獻(xiàn) 1 傅志方. 振動(dòng)模態(tài)分析與參數(shù)辨識(shí) M . 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1990. 2 嚴(yán)濟(jì)寬. 機(jī)械振動(dòng)隔離技術(shù) M . 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 1985. 3 王國(guó)治, 李良碧. 船舶浮筏裝置結(jié)構(gòu)非剛性影響的試驗(yàn)研究 J . 船舶工程, 2000 ( 6. Research on Inf luences on D ynam ica l Character istics of Sh ip Floa ting Raf t (D ep t. of M

28、echan ica l Eng. , Ea st Ch ina Sh ip bu ild ing In st itu te, Zhen jiang 212003, Ch ina In the resea rch on the dynam ica l cha racterist ics of the sh ip floa t ing raft, the rig id m odel, w h ich w a s comm on ly adop ted in the ana ly sis of doub le deck iso la t ion sy stem , w ill cau se unac

29、cep ted erro rs esp ecia lly in the h igh frequency band. To est i a te the level of the no ise p roduced by the sh ip eng ine, m an ela st icity m odel ba sed on the FEM is p u t fo rw a rd. Severa l influence facto rs on the iso la t ion p rop er2 t ies a re invest iga ted th rough the respon se a

30、na ly sis and t ran sfer funct ion ana ly sis w ith va riou s st ruc2 cludes the suppo rt ing st iffness, the dam p ing of the iso la to r, the Young m odu le and the dam p ing of s the raft m a teria l, the rig id ity and the dam p ing of the founda t ion of the floa t ing raft, etc. T he sen sit i

31、vity ana ly sis revea ls the rela t ion betw een the st ructu ra l a s w ell a s the m a teria l p a ram e2 ters and the t ran sm ission efficiency of the m echan ica l vib ra t ion. It is p roved fo r the floa t ing raft sy s2 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights

32、 reserved. tu ra l and m a teria l schem es w hen the excita t ion is si u la ted. T hese facto rs stud ied in th is p ap er in 2 m W AN G Guo 2zh i, L I L iang 2b i Abstract 43 卷第 1 期 ( 總第 156 期 王國(guó)治等: 船舶浮筏系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響因素研究 51 tem tha t the st iffness and the dam p ing p lay a com p lica ted ru le in t

33、he t ran sm ission of the vib ra t ion and no ise a long the raft stu rctu re. R ely ing on the d ifferen t frequency band and d ifferen t po sit ion on the sh ip , the effect is som et i es po sit ive o r nega t ive. Severa l cu rves, w h ich describe the sen sit ivity, a re m g iven and the resu lt s a r