低振動粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)油箱仿真與試驗(yàn)研究

李德遠(yuǎn)，武　朝，毛旭耀，劉貽歐，毋　迪（. 海軍駐43廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 5004；. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 43005）

低振動粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)油箱仿真與試驗(yàn)研究

李德遠(yuǎn)1，武朝2，毛旭耀2，劉貽歐2，毋迪2
（1. 海軍駐431廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205）

為解決結(jié)構(gòu)油箱振動大、易于傳遞的突出問題，本文應(yīng)用有限元理論對油箱進(jìn)行形式結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，得出了油箱的多階固有頻率，并據(jù)此確定了合理的油箱結(jié)構(gòu)形式。在此結(jié)構(gòu)油箱基礎(chǔ)上，通過填充粘彈性阻尼降低結(jié)構(gòu)油箱的振動并開展試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)油箱較無阻尼結(jié)構(gòu)油箱在 50 Hz 的液壓泵組激振頻率條件下，減振效果可達(dá) 15 dB。

結(jié)構(gòu)油箱；模態(tài)分析；粘彈性阻尼

0　引　言

緊湊型液壓系統(tǒng)設(shè)計中，油箱通常作為整個油站的安裝基座，液壓泵、液壓閥塊、過濾器、冷卻器等設(shè)備及附件均安裝在油箱上，以減小油站的占地尺寸，提高集成化程度，因此油箱必須是一個高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，具備足夠的強(qiáng)度和剛度，這種油箱通常被稱作結(jié)構(gòu)油箱。液壓泵組作為振動噪聲源，其振動直接傳遞給結(jié)構(gòu)油箱，一旦液壓泵組的激振頻率與結(jié)構(gòu)油箱的固有頻率相接近，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振現(xiàn)象，增大系統(tǒng)振動噪聲，嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此有必要對結(jié)構(gòu)油箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)油箱的固有頻率避開液壓泵組的激振頻率，并增加阻尼以減小油站整體的振動噪聲。

1　粘彈性阻尼

粘彈性阻尼材料是近年來發(fā)展起來的一種有效的減振降噪技術(shù)，可以在很寬的頻域和溫域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)振動控制，特別適用于隨機(jī)寬帶條件下的結(jié)構(gòu)減振問題，同時粘彈性阻尼材料具有使用成本低和易于操作等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用［1-5］。

粘彈性阻尼材料的工作機(jī)理：粘彈性材料具有彈性和粘性雙重特性，這種材料在結(jié)構(gòu)振動外力引起的交變應(yīng)力作用下，其曲折的分子鏈會產(chǎn)生拉伸、扭曲等變形，由于分子運(yùn)動要克服阻力，因此應(yīng)變往往滯后于應(yīng)力的變化，在一定頻率和溫度范圍內(nèi)，這種滯后現(xiàn)象十分明顯，滯后的形變運(yùn)動需要克服較大的阻力，通過這種分子間的內(nèi)摩擦力把力學(xué)能量轉(zhuǎn)化為熱能，可將一部分振動機(jī)械能量在阻尼內(nèi)部消耗掉，起到阻尼效果，以達(dá)到減小振動能量的目的［6-8］。

2　結(jié)構(gòu)油箱的模態(tài)分析

本文油站所用泵組的轉(zhuǎn)速約 3 000 r/min，經(jīng)檢測，該泵組在 50 Hz 附近存在較大的振動，在 0 ～ 3 kHz 的其他頻率段振動幅度均較小，因此要求結(jié)構(gòu)油箱的固有頻率盡量遠(yuǎn)離 50 Hz，以減小油站整體的振動。根據(jù)結(jié)構(gòu)油箱的載荷情況，本文對油箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出 A，B，C 三種設(shè)計方案，并借助 Ansys 軟件對結(jié)構(gòu)油箱進(jìn)行模態(tài)分析，求解出固有頻率，利用分析數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)油箱設(shè)計結(jié)果的合理性進(jìn)行評判。

2.1油箱 A

較高階頻率所對應(yīng)振型在振動過程中對設(shè)備的振動影響較小，并且由于結(jié)構(gòu)中阻尼的存在，高頻對應(yīng)的振型會迅速衰減，因此分析設(shè)備的前幾階固有頻率即可［9-10］。在 Ansys 軟件中采用四邊形四節(jié)點(diǎn)板殼單元 Shell 63，材料為鋼，密度為 7 950 kg/m3，楊氏模量為 2.1 × 1011Pa，泊松比為 0.3，并運(yùn)行 Block Lanczos方法進(jìn)行模態(tài)分析計算，得出油箱 A 的前 10 階固有頻率如表1 所示。

表1　油箱 A 的固有頻率Tab. 1　Characteristic frequency of tank A

從表1 可看出，油箱 A 的 1 階固有頻率為 57.9 Hz，非常接近于液壓泵組的固有頻率 50 Hz，容易引起共振，因此必須對油箱進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，其 1 階振型如圖1 所示。

圖1　油箱 A 的 1 階振型圖Fig. 1　First order model of tank A

2.2油箱 B

從圖1 可看出，油箱 A 的一階振動主要發(fā)生在油箱底部，因此需要對此處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，同時考慮到安裝濾器等附件。

利用 Ansys 對油箱 B 進(jìn)行模態(tài)分析，得出其前 10階固有模態(tài)頻率如表2 所示，1 階振型圖如圖2 所示。

表2　油箱 B 的固有頻率Tab. 2　Characteristic frequency of tank B

圖2　油箱 B 的 1 階振型圖Fig. 2　First order model of tank B

從表2 可看出，油箱 B 的 1 階固有頻率為 82.5 Hz，約為液壓泵組固有頻率的 1.65 倍，基本可以避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象。油箱 B 的 1 階振動集中在油站附件安裝面板上，油箱整體框架結(jié)構(gòu)幾乎無振動，說明油箱 B 的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可行。

2.3油箱 C

為進(jìn)一步研究填充粘彈性阻尼材料對結(jié)構(gòu)油箱固有頻率的影響，以油箱 B 的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在其 4 個側(cè)面及底面填充 5 mm 厚的某粘彈性阻尼材料，建立油箱 C 的有限元模型。

對油箱 C 進(jìn)行模態(tài)分析，得出其前 10 階固有模態(tài)頻率如表3 所示，1 階振型圖如圖3 所示。

從表3 可看出，油箱 C 的 1 階固有頻率為 79.6 Hz，約為液壓泵組固有頻率的 1.59 倍，也可避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，說明油箱 C 的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可行。

對比表2 和表3 可看出，油箱 C 的各階固有頻率均比油箱B對應(yīng)的固有頻率有所降低，降低約 3 ～ 7 Hz。

表3　油箱 C 的固有頻率Tab. 3　characteristic frequency of tank C

圖3　油箱 C 的 1 階振型圖Fig. 3　First order model of tank C

3　試驗(yàn)對比分析

通過 Ansys 仿真分析可知，油箱 B 和油箱 C 的結(jié)構(gòu)設(shè)計均滿足使用需求，為進(jìn)一步研究填充粘彈性阻尼材料的減振效果，開展試驗(yàn)以測試樣機(jī)的振動響應(yīng)。

3.1樣機(jī)及測點(diǎn)布置

振動測試樣機(jī)及測點(diǎn)布置如圖4 所示。

圖4　樣機(jī)實(shí)物圖Fig. 4　Prototype practicality picture

試驗(yàn)采用寬帶隨機(jī)激勵，測量樣機(jī)填充粘彈性阻尼前后的振動加速度響應(yīng)。測試頻率范圍 0 ～ 3 kHz，激勵方式采用電磁式激振機(jī)，共 2 個激振點(diǎn)，激振點(diǎn)1 位于樣機(jī)上表面邊界處，激振點(diǎn) 2 位于樣機(jī)上表面面板中心，在試驗(yàn)樣機(jī)上一共布放 16 個加速度計，分別布置在油箱的 6 個面上。

3.2測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)由工控機(jī)、信號發(fā)生器、功率放大器、激振機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加速度傳感器等組成（見表4）。信號發(fā)生器發(fā)出振動信號，通過功率放大器傳遞給電磁激振機(jī)，作用在試驗(yàn)樣機(jī)激振點(diǎn)位置，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集 16 個加速度傳感器的檢測數(shù)據(jù)，并傳遞給工控機(jī)以記錄和處理相關(guān)數(shù)據(jù)。

表4　儀器儀表清單Tab. 4　Instrument list

3.3試驗(yàn)結(jié)果

圖5　上面板測點(diǎn)加速度信號線譜圖Fig. 5　Acceleration signal spectrum diagram of the upper panel measuring point

圖6　上面板測點(diǎn)傳遞損失圖Fig. 6　Transfer loss diagram of the upper panel measuring point

本試驗(yàn)測點(diǎn)較多，限于論文篇幅，本文在油箱上面板、前側(cè)面板和底面板各選取一個測點(diǎn)，將 3 個測點(diǎn)的數(shù)據(jù)整理分析如下：

1）上面板測點(diǎn)

圖5 ～ 圖6 是上面板在樣機(jī)填充粘彈性阻尼材料前后振動加速度響應(yīng)對比圖。從圖5 ～ 圖6 可看出，填充粘彈性阻尼材料后，樣機(jī)上面板在 40 Hz 以下頻段減振效果不明顯，在 40 ～ 200 Hz 頻段，減振效果在1 ～ 5 dB，在液壓泵組激振頻率 50 Hz 附近，減振約1 dB，在 200 Hz 以上頻段，減振效果較好，達(dá)到5 ～ 15 dB。

2）前側(cè)面板測點(diǎn)

圖7 ～ 圖8 是前側(cè)面板在樣機(jī)填充粘彈性阻尼材料前后振動加速度響應(yīng)對比圖。

圖7　前側(cè)面板測點(diǎn)加速度信號線譜圖Fig. 7　Acceleration signal spectrum diagram of the front panel measuring point

圖8　前側(cè)面板測點(diǎn)傳遞損失圖Fig. 8　Transfer loss diagram of the front panel measuring point

從圖7 ～ 圖8 可看出，填充粘彈性阻尼材料后，樣機(jī)前側(cè)面板在 40 Hz 以下頻段，減振效果在 2 ～ 5 dB，在 40 ～ 200 Hz 頻段，減振效果明顯，達(dá)到 10 ～ 25 dB，在液壓泵組激振頻率 50 Hz 附近，減振約 15 dB，在200 Hz 以上頻段，減振達(dá)到 15 dB 以上。

3）底面板測點(diǎn)

圖9 ～ 圖10 是底面板在樣機(jī)填充粘彈性阻尼材料前后振動加速度響應(yīng)對比圖。從圖9 ～ 圖10 可看出，填充粘彈性阻尼材料后，樣機(jī)底面板在 40 Hz 以下頻段，減振效果非常明顯，平均達(dá)到 15 dB 以上，在 40 ～200 Hz 頻段，減振效果明顯，平均達(dá)到 10 dB 以上，在液壓泵組激振頻率 50 Hz 附近，減振約 20 dB，在200 Hz 以上頻段，除個別頻段減振 5 dB 左右，大部分都在 10 dB 以上。

3.4試驗(yàn)結(jié)論

通過對試驗(yàn)樣機(jī)在填充粘彈性阻尼材料前后的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)對比，可以得出以下結(jié)論：

1）通過填充粘彈性阻尼材料可以有效降低結(jié)構(gòu)油箱的振動，而且粘彈性阻尼材料可以在很寬的頻域內(nèi)對振動進(jìn)行控制。

2）結(jié)構(gòu)油箱的側(cè)面板和底面板的減振效果比較明顯，在 200 Hz 以下的低頻段，減振效果在 10 dB 左右，在 200 Hz 以上的高頻段，減振可達(dá) 15 dB 以上。

3）由于結(jié)構(gòu)油箱的上面板未填充粘彈性阻尼材料，所以該部位的減振效果不顯著，在 200 Hz 以下的低頻段，平均減振效果在 2 dB 以下，在 200 Hz 以上的高頻段，減振效果約 5 dB。

4）結(jié)構(gòu)油箱的側(cè)面板和底面板被設(shè)計為油站的安裝面，在 50 Hz 的激振條件下，減振效果均在 15 dB以上，因此在液壓泵組正常工作時（工作頻率為 50 Hz），可以有效降低油站向周邊結(jié)構(gòu)的振動傳遞。

圖9　底面板測點(diǎn)加速度信號線譜圖Fig. 9　Acceleration signal spectrum diagram of the bottom panel measuring point

圖10　底面板測點(diǎn)傳遞損失圖Fig. 10　Transfer loss diagram of the bottom panel measuring point

4　結(jié)　語

本文在 Ansys 模態(tài)分析的基礎(chǔ)上設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理的油箱，并且在試驗(yàn)室開展相關(guān)試驗(yàn)，對比分析試驗(yàn)樣機(jī)填充粘彈性阻尼前后的振動加速度響應(yīng)，研究填充粘彈性阻尼材料對結(jié)構(gòu)油箱振動的影響，得出如下結(jié)論：

1）通過 Ansys 仿真分析優(yōu)化設(shè)計出合理的結(jié)構(gòu)油箱，避開了液壓泵組的激振頻率。

2）填充粘彈性阻尼材料會降低結(jié)構(gòu)油箱的各階固有頻率，為避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，有必要運(yùn)用 Ansys 軟件對其進(jìn)行模態(tài)分析。

3）填充粘彈性阻尼材料可以有效降低結(jié)構(gòu)油箱的振動，尤其是在 50 Hz 的液壓泵組激振頻率條件下，減振效果可達(dá) 15 dB 以上，充分說明采用填充粘彈性阻尼材料的方法來降低結(jié)構(gòu)油箱的振動可行。

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Simulation and experimental study on low vibration and viscoelastic damping constructional tank

LI De-yuan1， WU Chao2， MAO Xu-yao2， LIU Yi-ou2， WU Di2
（1. The Naval Representative Office in No. 431 Shipyard， Huludao 125004， China；
2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute， Wuhan 430205， China）

In order to solve the problem of high vibration and easy transfer of constructional tank， modal analysis has been executive with the finite element theory， which calculates the characteristic frequency to adopt the reasonable construction of the tank. Based on this， viscoelastic damping has been filled in to reduce the vibration of constructional tank，and the experiment has been carried out. It is showed under the condition that the excited frequency is 50 Hz， the viscoelastic damping constructional tank can reduce vibration strength as much as 15dB， compared with the tank without viscoelastic damping.

constructional tank；modal analysis；viscoelastic damping

TH137

A

1672-7619（2016）05-0074-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.016

2015-12-04；

2016-02-02

李德遠(yuǎn)（1965-），男，高級工程師，主要從事船舶裝置研究。