大尺度平臺電機基座結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)計算分析

劉艷敏，鄒明松

(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

0 引言

基座是艦艇上保證動力設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)牢固安裝的主要連接構(gòu)件，同時也是振源設(shè)備機械振動傳遞到船體的重要結(jié)構(gòu)。動力設(shè)備一般通過隔振器安裝在各自的基座上，當機械設(shè)備將振動通過隔振器傳遞給基座面板后，振動波沿著基座腹板等結(jié)構(gòu)向其他船體結(jié)構(gòu)傳遞，最終引起艇體向水中的輻射噪聲。因此，對位于艦艇內(nèi)的基座結(jié)構(gòu)進行減振降噪設(shè)計，是降低艦艇機械噪聲重要途徑之一。

近年來，關(guān)于艦艇內(nèi)部基座振動響應(yīng)的研究主要致力于兩個方面。一方面是研究可應(yīng)用于解決耦合內(nèi)部基座結(jié)構(gòu)的艦艇振動與聲輻射的計算方法。文獻[1]提出了水彈性子結(jié)構(gòu)分離及集成方法。該方法計算效率高，適用于船體內(nèi)部子結(jié)構(gòu)(如橫艙壁、鋪板、基座)與主船體之間的振動噪聲傳遞效果分析及優(yōu)化。文獻[2]采用有限元數(shù)值方法計算基座對殼體激勵力，由解析給出殼體的振動及聲輻射，對內(nèi)部含基座的加強筋雙層殼的振動與聲輻射特性進行研究。文獻[3]聯(lián)合應(yīng)用聲固耦合法和統(tǒng)計能量法，基于ABAQUS/VA ONE，對基座結(jié)構(gòu)含阻振質(zhì)量帶的動力艙段減振降噪效果進行了全頻段數(shù)值分析。文獻[4]基于波動理論，探討了阻振質(zhì)量對典型船體連接結(jié)構(gòu)中振動波傳遞的阻抑特性，兼顧基座阻振質(zhì)量布置工藝，開展了阻振質(zhì)量偏心距對其隔振特性的影響。另一方面是探究新的可應(yīng)用在艦艇基座上的減振材料形式。文獻[5]提出了一種復(fù)合材料腹板與鋼質(zhì)阻振質(zhì)塊相結(jié)合的新型機械設(shè)備振動隔離基座形式，采用通過非線性擬合阻抗實驗數(shù)據(jù)進行參數(shù)識別與有限元模擬相結(jié)合的方法，解決了建立膠接部阻抗矩陣的難題。文獻[6]利用蜂窩多孔材料良好的抗沖擊吸能特性，設(shè)計具有宏觀負、正泊松比效應(yīng)的新型船用抗沖擊與低頻隔振性能兼顧的蜂窩基座。文獻[7]提出了三明治夾芯基座形式，通過對基座的阻抗阻尼設(shè)計，三明治夾芯基座能夠有效地衰減高頻駐波，具有良好的隔振效果。

本文立足于大尺度船舶試驗平臺工程應(yīng)用需求，基于ABAQUS建立電機基座與其所在動力艙段以及全船三維動力學(xué)模型，以側(cè)掛式電機基座為研究對象，計算不同結(jié)構(gòu)形式基座對應(yīng)的面板與耐壓殼上的振動響應(yīng)，比較分析了面板結(jié)構(gòu)形式、腹板結(jié)構(gòu)形式對設(shè)備激勵基座所引起的振動響應(yīng)特性的影響；在總結(jié)計算結(jié)果與規(guī)律的基礎(chǔ)上，對原始設(shè)計的電機基座結(jié)構(gòu)形式進行改進，提出了一種可降低振動響應(yīng)的、重量相對較輕的側(cè)掛式電機基座結(jié)構(gòu)形式，并最終將其應(yīng)用在實船的設(shè)計與建造中。

1 船體及基座結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模

1.1 船體結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模

基于ABAQUS建立全船三維動力學(xué)計算模型，結(jié)構(gòu)形式在某大尺度船舶試驗平臺的基礎(chǔ)上做適當簡化。三維模型涉及的結(jié)構(gòu)要素有：耐壓殼及其環(huán)肋骨、輕外殼及其加強筋、艙壁及其加強筋、指揮臺圍殼及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各主要艙內(nèi)結(jié)構(gòu)。

全船三維動力學(xué)模型的單元總數(shù)為75 224，B31型(梁單元)單元數(shù)為6 438，S 4R型(四邊形殼單元)單元數(shù)為67 750，S 3型(三角形殼單元)單元數(shù)為6 036。艙內(nèi)支柱及部分非強構(gòu)件采用梁單元建模，其他大多數(shù)結(jié)構(gòu)采用殼單元建模。設(shè)備質(zhì)量以非結(jié)構(gòu)質(zhì)量的方式施加在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)表面，舷間水質(zhì)量以非結(jié)構(gòu)質(zhì)量的形式按比例施加在輕外殼與耐壓殼上。

建模計算過程中涉及到的主要力學(xué)性能參數(shù)如下：楊氏模量2.1×1011N/m2，泊松比0.3，體密度7 800 kg/m3，阻尼損耗因子0.02。

1.2 基座結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模

為比較基座結(jié)構(gòu)形式對振動響應(yīng)特性的影響，本文分別建立四種側(cè)掛式基座模型，基座結(jié)構(gòu)主要差別在于面板形式和腹板形式的變換，以及不同面板與腹板結(jié)構(gòu)形式的組合。

圖1為基座結(jié)構(gòu)形式一，即基座的原始結(jié)構(gòu)形式，是設(shè)計初期提出的側(cè)掛式電機基座的結(jié)構(gòu)形式。側(cè)掛式基座包括三個子基座，從船艏到船艉依次標記為基座1、基座2、基座3。圖2為基座結(jié)構(gòu)形式二，在原始基座形式的基礎(chǔ)上增加面板沿船長方向的尺寸，本文中將其稱為“長面板式基座”。圖3為基座結(jié)構(gòu)形式三，在原始基座形式的基礎(chǔ)上增加腹板沿型深方向的尺寸，本文中將其稱為“長腹板式基座”。圖4為基座結(jié)構(gòu)形式四，在原始基座形式的基礎(chǔ)上同時增加腹板沿型深方向的尺寸和面板沿船長方向的尺寸，本文中將其稱為“組合式基座”。

建模過程中，在各基座面板上對應(yīng)的螺栓安裝孔處設(shè)置網(wǎng)格節(jié)點，作為振動響應(yīng)計算時激勵力的輸入端以及基座面板上振動響應(yīng)提取時的參考點。

2 振動響應(yīng)計算分析

2.1 計算工況

以本文提出的四種基座結(jié)構(gòu)形式為研究對象，基于所建立的全船三維動力學(xué)計算模型數(shù)值仿真平臺，進行振動響應(yīng)計算。在計算過程中分別對三個子基座面板施加單位集中力，振動響應(yīng)計算工況描述見表1。

圖4 基座結(jié)構(gòu)形式四

工況激勵位置激勵力方向激勵力大小1基座1面板螺栓安裝孔(共4個安裝孔)垂直于基座面板向下每個安裝孔處1/4N2基座2面板螺栓安裝孔(共8個安裝孔)垂直于基座面板向下每個安裝孔處1/8N3基座3面板螺栓安裝孔(共4個安裝孔)垂直于基座面板向下每個安裝孔處1/4N

2.2 計算結(jié)果與分析

按照表1所描述的工況進行振動響應(yīng)計算，分別計算各工況所對應(yīng)的基座面板上的振動加速度級以及耐壓殼上的均方振動加速度級，并將三組優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式的響應(yīng)結(jié)果與原始結(jié)構(gòu)形式的響應(yīng)結(jié)果進行比較，對不同基座結(jié)構(gòu)形式減振效果進行說明。

基座上振動響應(yīng)評價點取面板上輸入激勵點，振動響應(yīng)結(jié)果以加速度級的形式給出。耐壓殼上振動響應(yīng)評價點在基座所在艙段的每個肋位上、中、下位置取三個點，振動響應(yīng)結(jié)果以均方加速度級的形式給出。

基座面板振動加速度級表達式為：

(1)

式中：M為評價點數(shù)目；a0為基準加速度，a0=1×10-6m/s2；ai為基座面板上第i個評價點的振動加速度。

耐壓殼上振動加速度級表達式為：

(2)

四種不同基座結(jié)構(gòu)形式、各工況相應(yīng)的基座上的振動加速度級曲線如圖5～圖7所示，各工況相應(yīng)的耐壓殼上的均方振動加速度級曲線如圖8～圖10所示。

圖5 基座振動加速度級(工況1基座1)

圖6 工況2基座2振動加速度級

從振動加速度級曲線上可以看出，無論是基座面板上的振動加速度響應(yīng)還是耐壓殼上的振動加速響應(yīng)，其他三種結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)形式一(原始結(jié)構(gòu))相比有不同程度降低，尤其在110～150 Hz頻段范圍內(nèi)，降低更為顯著；振動加速度級曲線降低的幅度從大到小依次是：結(jié)構(gòu)形式四、結(jié)構(gòu)形式三、結(jié)構(gòu)形式二。

圖7 基座振動加速度級(工況3基座3)

圖8 耐壓殼振動加速度級(工況1)

圖9 耐壓殼振動加速度級(工況2)

圖10 耐壓殼振動加速度級(工況3)

從計算結(jié)果可以看出，增加腹板沿型深方向的尺寸可以比增加面板沿船長方向的尺寸達到更為顯著的減振效果；上述通過計算得到的不同結(jié)構(gòu)形式基座振動響應(yīng)的規(guī)律與結(jié)論，可為基座結(jié)構(gòu)方案的改進提供一定參考依據(jù)。

3 電機基座結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

以降低振動響應(yīng)為基本原則，兼顧減輕結(jié)構(gòu)重量考慮，提出側(cè)掛式電機基座優(yōu)化方案。

設(shè)計初期的側(cè)掛式電機基座結(jié)構(gòu)形式如圖11所示，其中面板厚度統(tǒng)一為40 mm，腹板厚度統(tǒng)一為20 mm。根據(jù)對不同結(jié)構(gòu)形式基座的振動響應(yīng)計算分析得出的規(guī)律結(jié)論對基座結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化改進設(shè)計，即增加基座腹板沿型深方向的尺寸，并在腹板上加設(shè)肘板。優(yōu)化后的側(cè)掛式基座結(jié)構(gòu)形式如圖12所示，其中面板厚度統(tǒng)一為30 mm，腹板厚度統(tǒng)一為8 mm，優(yōu)化后的基座結(jié)構(gòu)重量減輕約30%。

圖11 原始基座結(jié)構(gòu)形式

圖12 優(yōu)化基座結(jié)構(gòu)形式

5～150 Hz頻段原始電機基座結(jié)構(gòu)形式與優(yōu)化改進后的電機基座結(jié)構(gòu)形式對應(yīng)的耐壓殼均方振動加速度級曲線如圖13所示。從曲線趨勢可以看出，優(yōu)化后的基座耐壓殼上的加速級整體上比原始基座結(jié)構(gòu)對應(yīng)的加速級小，尤其是80～150 Hz降低較為顯著。

計算兩種結(jié)構(gòu)形式對應(yīng)的耐壓殼振動加速度的總振級，結(jié)果見表2。5～80 Hz頻段范圍內(nèi)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)比原始結(jié)構(gòu)加速度總振級降低約4 dB；80～150 Hz頻段范圍內(nèi)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)比原始結(jié)構(gòu)加速度總振級降低約10 dB；5～150 Hz頻段范圍內(nèi)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)比原始結(jié)構(gòu)加速度總振級降低約10 dB；從計算頻段范圍對比結(jié)果來看，優(yōu)化改進后的基座結(jié)構(gòu)形式減振效果比較理想。

圖13 優(yōu)化前后耐壓殼均方加速度級對比

頻段范圍/Hz5～1505～8080～150原始結(jié)構(gòu)總振級/dB91.767.895.7優(yōu)化結(jié)構(gòu)總振級/dB81.563.785.4

4 結(jié)語

本文建立涵蓋主要結(jié)構(gòu)要素的某大尺度船舶試驗平臺全三維動力激勵模型，并以此為數(shù)值仿真平臺，計算并分析了側(cè)掛式電機基座原始結(jié)構(gòu)形式、長腹板式結(jié)構(gòu)形式、長面板結(jié)構(gòu)形式、組合結(jié)構(gòu)形式等四種基座結(jié)構(gòu)形式的振動響應(yīng)特性。結(jié)果表明：增加腹板沿型深方向的尺寸可以比增加面板沿船長方向的尺寸達到更為顯著的減振效果。同時，本文根據(jù)相關(guān)計算結(jié)果與規(guī)律，提出了一種優(yōu)化改進的電機基座結(jié)構(gòu)形式，該優(yōu)化基座結(jié)構(gòu)在重量上較原始基座結(jié)構(gòu)減輕約30%，5～150 Hz頻段范圍內(nèi)耐壓殼上的加速度總振級較原始結(jié)構(gòu)形式降低約10 dB，達到了較為理想的減振效果。本文所開展的相關(guān)計算與優(yōu)化設(shè)計工作，可為艦艇類似基座結(jié)構(gòu)的減振優(yōu)化設(shè)計提供一定的借鑒與參考。