典型艦船循環(huán)水系統(tǒng)管路振動特性

舒禮偉

( 海軍裝備部，北京100841)

0 引 言

潛艇中存在眾多的管路系統(tǒng)，管路中的介質(zhì)在管路源設備的作用下沿管路傳輸過程中會產(chǎn)生振動和噪聲。當激振力的頻率與管路系統(tǒng)的某一階固有頻率相近時，則管路系統(tǒng)發(fā)生對應于該頻率的共振，使管道做強烈的機械振動。振動和噪聲通過馬腳、穿艙件、空氣介質(zhì)等途徑傳遞至艇體，在各設備之間起著“聲橋”作用［1－4］。管路系統(tǒng)產(chǎn)生的振動和輻射噪聲是合成潛艇噪聲的來源之一，它直接影響潛艇隱蔽性［5－7］。

本文以典型艦船循環(huán)水系統(tǒng)的管路模型為研究對象，通過合理的模型簡化，借助有限元軟件Anasys分析該管路系統(tǒng)的固有頻率及相應振型;分析管內(nèi)介質(zhì)、管路支座布置間距等工藝參數(shù)對其固有頻率的影響規(guī)律。在此基礎上，開展循環(huán)水泵激勵下的管路系統(tǒng)動力響應計算，分析管路進出閥門、法蘭等關(guān)鍵位置的動態(tài)位移，為管路系統(tǒng)低噪聲建造工藝提供理論依據(jù)。

1 循環(huán)水系統(tǒng)管路分析模型

圖1 給出了循環(huán)水系統(tǒng)管路的有限元模型，管路系統(tǒng)中管路尺寸有3 種，分別為φ340 ×16，φ140×8，φ90 ×6。管路材料密度為8 600 kg/m3，彈性模量為1.15E11 Pa，泊松比為0.33。管內(nèi)介質(zhì)為水，密度為1 000 kg/m3。模型采用梁單元建立，以質(zhì)量點的形式模擬法蘭閥門等管路配件。對于循環(huán)水泵、冷凝器以及滑油冷卻器采用Solid45 進行實體建模［8－9］。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)管路模型Fig.1 Sketch of hull circulation water system

圖2 循環(huán)水泵與閥架連接示意圖Fig.2 The connection of water pump with hull structure

有限元模型中采用彈簧阻尼單元模擬撓性接管的剛度及阻尼，圖2 給出了循環(huán)水泵與閥架連接示意圖，循環(huán)水泵通過8個BE400 型減振器連接至L 型閥架上，過彈簧單元來模擬減振器的剛度及阻尼［10］。圖3 中給出了撓性接管的局部模型。

圖3 撓性接管模型Fig.3 Sketch of flexible connector

圖4 質(zhì)量點模擬閥門Fig.4 Sketch of valve with mass element

2 工藝參數(shù)對管路模態(tài)的影響分析

表1 管內(nèi)不同介質(zhì)管路固有頻率對比/HzTab.1 The pipe natural frequencies with different liquid mediators/Hz

計算結(jié)果表明:管路內(nèi)介質(zhì)為滑油時，其前幾階固有頻率較水管路增大約3%。當管路為蒸汽管路或排風管路時，其固有頻率較充液管路明顯增大，且對前四階固有頻率影響較為顯著。由此表明，在數(shù)值計算管路系統(tǒng)固有頻率時，必須充分考慮管內(nèi)介質(zhì)的影響。

圖5 給出了循環(huán)水管路系統(tǒng)的前八階振型。

圖5 循環(huán)水管路系統(tǒng)的振型Fig.5 The modal shape of circulation water system

如圖5所示:一階、三階振型表現(xiàn)為冷凝器管路的變形模式;二階、四階振型表現(xiàn)為滑油冷卻器附件管路的變形模式;五階振型表現(xiàn)為冷凝器支管管路與滑油冷卻器管路的變形模式;高階振型仍表現(xiàn)為滑油冷卻器附件管路的變形模式。

當管路充油或充氣時，各階固有頻率較充水管路升高，但對應各階振型的變形模式無顯著變化，這里不在贅述。

下面探索管路支座間距對循環(huán)水管路系統(tǒng)固有頻率的影響規(guī)律。

表2 不同管路支座間距下管路固有頻率對比/HzTab.2 The pipe natural frequencies with fixed bearing spacing/Hz

如表2所示:循環(huán)水管路系統(tǒng)的各階固有頻率隨著固定支座間距的減小顯著增大，且高階固有頻率增幅更能為顯著。

圖6 給出了循環(huán)水管路系統(tǒng)管路支座間距為1m時的前六階振型。

圖6 管路支座間距變小后循環(huán)水管路系統(tǒng)振型Fig.6 The modal shape of circulation water system with short fixed bearing spacing

如圖6所示:循環(huán)水管路系統(tǒng)的各階固有頻率隨著固定支座間距的減小顯著增大，且各階振型亦發(fā)生改變。一階、二階振型表現(xiàn)為冷凝器管路的變形模式，其余各階振型均為滑油冷卻器附件管路的變形模式。

3 設備工作時管路系統(tǒng)動力響應分析

在循環(huán)水系統(tǒng)管路模態(tài)分析基礎上，下面開展循環(huán)水管路系統(tǒng)在水泵、輔冷凝器、滑油冷卻器聯(lián)合激勵下的管路系統(tǒng)動力響應計算，分析管路進出閥門、法蘭等關(guān)鍵位置的動態(tài)位移。

葬禮完畢，客人漸漸散去。蔣浩德從水家出來時，紫云出現(xiàn)在他面前。她似乎嗅到了什么，給他拋個媚眼，甜甜地說：“蔣伯好，好久不見啊，您的身體還是這樣硬朗！”

圖7 給出了循環(huán)水管路系統(tǒng)典型測點布置位置。其中測點1 為滑油冷卻器附近直管測點，測點2 為冷凝器附近直管測點，測點3 為循環(huán)水泵附近管路測點。圖8 給出了循環(huán)水管路系統(tǒng)典型管路測點處振動加速度級曲線。圖9 給出了循環(huán)水管路系統(tǒng)各撓性接管及閥門出口處的測點布置位置。圖10 給出了循環(huán)水管路系統(tǒng)在設備激勵下各撓性接管及閥門出口處的振動加速度計曲線。

圖7 循環(huán)水管路系統(tǒng)典型測點布置位置Fig.7 Sketch of typical pipe measuring points

圖8 循環(huán)水管路系統(tǒng)典型管路測點處振動加速度級曲線Fig.8 The curves of vibration acceleration level of typical pipe measuring points

圖9 管路系統(tǒng)撓性接管及閥門測點布置位置Fig.9 Sketch of flexible connector and valve measuring points

圖10 管路系統(tǒng)撓性接管及閥門出口處振動加速度級曲線Fig.10 The curves of vibration acceleration level of flexible connector and valve measuring points

如圖10所示，撓性接管出口1 及閥門出口1 處中高頻振動加速度級幅值較大，應采取合理的減振降噪措施。

圖11 給出了水管路系統(tǒng)彎管及三通管處的測點布置位置。圖12 給出了循環(huán)水管路系統(tǒng)彎管及三通管處振動加速度級曲線。

圖11 管路系統(tǒng)彎管及三通測點布置位置Fig.11 Sketch of three-limb tube measuring points

圖12 管路系統(tǒng)彎管及三通管處振動加速度級曲線Fig.12 The curves of vibration acceleration level of three-limb tube measuring points

如圖12所示:彎管1 處在100 Hz 以上頻段振動響應劇烈。結(jié)合圖8、圖10和圖12 可以看出，循環(huán)水管路系統(tǒng)在滑油冷卻器附近管路振動響應較為劇烈，應采用相應的減振降噪措施。

4 結(jié) 語

本文借助有限元軟件分析循環(huán)水系統(tǒng)的管路模型的固有頻率及相應振型，開展了循環(huán)水泵激勵下的管路系統(tǒng)動力響應分析。主要結(jié)論如下:

1)針對循環(huán)水管路系統(tǒng)而言，若不考慮管內(nèi)介質(zhì)將導致管路各階固有頻率顯著增大，因此在數(shù)值計算管路系統(tǒng)固有頻率時必須充分考慮管內(nèi)介質(zhì)的影響。

2)循環(huán)水管路系統(tǒng)一階、三階振型表現(xiàn)為輔冷凝器管路的變形模式;二階、四階振型表現(xiàn)為滑油冷卻器附件管路的變形模式;五階振型表現(xiàn)為輔冷凝器支管管路與滑油冷卻器管路的變形模式;高階振型仍表現(xiàn)為滑油冷卻器附件管路的變形模式。

3)循環(huán)水管路系統(tǒng)的各階固有頻率隨著固定支座間距的減小顯著增大，且高階固有頻率增幅更顯著。

4)循環(huán)水管路系統(tǒng)在滑油冷卻器附近管路振動響應較為劇烈，應采用相應的減振降噪措施。

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