海洋平臺甲板及艙壁結(jié)構(gòu)減隔振特性研究

李永勝，張彤彤，王緯波

（1.中國船舶科學(xué)研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫 214082；2.江蘇省綠色船舶技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214082）

近年來，隨著對船舶及海洋工程產(chǎn)品舒適性特別是聲環(huán)境對航運及生產(chǎn)安全影響的日益關(guān)注，歐洲國家提出了船舶及海工平臺噪聲環(huán)境除了應(yīng)滿足保障船員健康的最低條件外，還應(yīng)滿足避免因平臺上噪聲引起船員疲勞和注意力分散導(dǎo)致航運和工作安全問題的要求[1]。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國際海事組織(IMO)、主要船級社(DNV/ABS/UK/HSE/CCS)等都對船舶及海工平臺振動提出更為嚴(yán)格的要求，成了船舶及海工平臺技術(shù)發(fā)展的動力。

平臺振動噪聲控制涉及結(jié)構(gòu)振動控制、艙室噪聲防護等多層次需求，由于甲板與艙壁是海洋平臺中振動激勵源傳遞的主要途徑，且其輻射噪聲大，故可以通過降低甲板及艙壁結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的方式，來降低海洋平臺艙室的振動及噪聲。文獻(xiàn)[2]指出，對于給定的結(jié)構(gòu)，尤其是甲板結(jié)構(gòu)，由于要滿足強度要求，一般不能輕易地刪除構(gòu)件，通常采用如增加甲板橫梁和縱桁的截面尺寸，或者增加甲板橫梁、甲板縱桁，或者改變甲板板厚等措施以提高甲板結(jié)構(gòu)的剛度，從而避開頻率禁區(qū)，以滿足動力學(xué)方面的要求，研究結(jié)果可為平臺甲板結(jié)構(gòu)減振設(shè)計提供參考。林長剛等[3]以板架型材尺寸和縱向2根T型材的位置為設(shè)計變量，板架結(jié)構(gòu)某個頻段范圍內(nèi)諧響應(yīng)分析的振動響應(yīng)總級的最小值作為優(yōu)化目標(biāo)，對某支柱體板架結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析；邢鵬飛[4]采用增加甲板縱梁數(shù)量，提高縱梁剛度的方法來減小壓縮機組的振動響應(yīng)。此外，為了控制振動波在結(jié)構(gòu)中的傳遞，目前其它較為實用的研究主要包括采用阻振質(zhì)量阻隔振動傳遞波的傳遞[5-8]以及基于自由/約束阻尼層進(jìn)行耗能減振的方法[9-11]。

本文針對平臺結(jié)構(gòu)振動控制問題，以平臺甲板及艙壁結(jié)構(gòu)為研究對象，開展結(jié)構(gòu)減隔振特性研究，主要考慮改變甲板、艙壁結(jié)構(gòu)的型材布置及型材參數(shù)，同時也考慮應(yīng)用阻振質(zhì)量、阻尼層等隔振措施，并對采用這些方法后結(jié)構(gòu)的減隔振特性進(jìn)行分析。本文的研究提出平臺低噪聲甲板及艙壁結(jié)構(gòu)減振應(yīng)用方案，對減小平臺甲板及艙壁振動能量傳遞水平，控制平臺結(jié)構(gòu)振動具有一定的實際意義。

1 振動計算模型

1.1 甲板與艙壁結(jié)構(gòu)有限元模型

選取典型主機艙（圖1）研究甲板和艙壁結(jié)構(gòu)的減隔振特性。主機艙中的兩臺主機是平臺結(jié)構(gòu)的主要振動噪聲源，單臺主機機腳通過16個隔振器安裝到基座面板上。主機產(chǎn)生的振動經(jīng)基座、機艙甲板和艙壁傳遞到頂層甲板，對頂層甲板上的生活區(qū)產(chǎn)生影響。本文選取頂層甲板板架結(jié)構(gòu)為被考核甲板，其中的一面艙壁板架結(jié)構(gòu)為被考核艙壁進(jìn)行減隔振研究。主機艙模型長14 m，寬13 m，高8.2 m。

圖1 艙室計算模型（隱藏其中一面艙壁）

被考核甲板由甲板板、T型強梁及加強筋組成，如圖2所示。其中甲板板厚度為15 mm，T型強梁規(guī)格為⊥，沿甲板長度方向布置有3條，沿寬度方向有1條；加強筋規(guī)格為HP200×10的球扁鋼，沿甲板寬度方向布置22條，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約為34.1 t；

圖2 被考核甲板模型

被考核艙壁由艙壁板及扶強材組成，如圖3所示。其中艙壁板厚度為16 mm，扶強材規(guī)格為HP180×10的球扁鋼，沿艙壁長度方向布置有9條，沿高度方向有3條。結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約為13.2 t。

圖3 被考核艙壁模型

采用有限元仿真平臺ABAQUS建立包含甲板與艙壁結(jié)構(gòu)的艙段模型，模型建立過程中考慮了主機、隔振器、基座及其周圍結(jié)構(gòu)。采用ABAQUS中的殼單元S4模擬板結(jié)構(gòu)，梁單元B31模擬甲板強梁、加強筋及艙壁扶強材。采用質(zhì)量點模擬主機的質(zhì)量特性及其轉(zhuǎn)動慣量，單臺主機質(zhì)量為90.85 t，主機縱向、橫向以及垂向3個方向的轉(zhuǎn)動慣量分別為380 95.6、183 760、167 468 kg·m2。采用三向彈簧單元模擬隔振器的動剛度特性。隔振器縱向、橫向以及垂向3個方向的動剛度分別為8 654 400、8 654 400、5 529 600 N/m。主機模擬質(zhì)量點與對應(yīng)基座上的隔振器通過剛性桿連接傳遞振動激勵力。

振動計算中所用鋼材的彈性模量為E=207 GPa，泊松比為v=0.3，密度為7 850 kg/m3，阻尼損耗因子η=1%。振動諧響應(yīng)計算分析頻段為5 Hz～100 Hz。

1.2 激勵力及邊界條件

采用實測的主機機腳振動數(shù)據(jù)作為輸入，并將其轉(zhuǎn)化為主機所受到的激勵力，如圖4所示。

圖4 主機激勵載荷

可以看出，主機激勵力在6 Hz的整數(shù)倍頻率處均有峰值，在約54 Hz時激勵力最大，其次是12 Hz、24 Hz。

數(shù)值計算時，主機的激勵力施加在主機模擬質(zhì)量點上，并通過隔振器傳遞到基座面板。艙段模型底部四邊的邊界條件取為簡支。

1.3 振動測點布置

以甲板及艙壁上測點的平均振級作為結(jié)構(gòu)振動特性及減隔振效果的評價指標(biāo)。在甲板及艙壁上分別均勻選取12個測點，所選取的測點均在板上，如圖5至圖6所示。

圖5 甲板振動響應(yīng)輸出點

圖6 艙壁振動響應(yīng)輸出點

2 振動數(shù)據(jù)處理

動態(tài)激勵力下，結(jié)構(gòu)上第i個測點的振動加速度級按下式計算：

式(1)中：Li為激勵力下編號為i的測點的振動加速度級，dB；ai為測點的振動加速度為基準(zhǔn)加速度，一般取1×10-6m/s2。

n個測點的平均振級為

測點的平均總振級按下式計算：

3 甲板及艙壁結(jié)構(gòu)減隔振特性

3.1 甲板及艙壁結(jié)構(gòu)的振動特性

在主機激勵力作用下，被考核甲板和艙壁的平均振動響應(yīng)如下圖7所示。

圖7 被考核甲板和艙壁的平均振動響應(yīng)

從圖7可以看出，被考核甲板和艙壁均在6 Hz的整數(shù)倍頻率點附近出現(xiàn)振動響應(yīng)的峰值，這同主機激勵力峰值出現(xiàn)的規(guī)律較為一致，如圖4所示，但是兩者的最大振動響應(yīng)峰出現(xiàn)的頻率點并非主機激勵力最大時所對應(yīng)的頻率54 Hz，而是均出現(xiàn)在約36 Hz的頻率點，在該頻率點主機的振動載荷相對較小，說明結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)不僅受激勵力影響，還可能與結(jié)構(gòu)的固有振動模態(tài)密切相關(guān)。圖8給出結(jié)構(gòu)的前兩階以及峰值響應(yīng)頻率點附近的振動模態(tài)計算結(jié)果。

根據(jù)圖8模態(tài)計算結(jié)果和圖7結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)計算結(jié)果，可以看出結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)峰值出現(xiàn)的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率有對應(yīng)關(guān)系，其中被考核甲板在36 Hz、23 Hz、11 Hz頻段點出現(xiàn)的幾個振動響應(yīng)峰，與甲板的彎曲振動固有頻率36.3 Hz、21.5 Hz、10.6 Hz相對應(yīng)；被考核艙壁在36 Hz、23 Hz、42 Hz頻段點出現(xiàn)的幾個振動響應(yīng)峰，與艙壁的彎曲振動固有頻率36.3 Hz、23.1 Hz、42.4 Hz相對應(yīng)。

圖8 被考核甲板和艙壁的典型振動模態(tài)

綜合結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)和固有模態(tài)計算結(jié)果，甲板和艙壁結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)受激勵力和結(jié)構(gòu)的共同影響。在激勵設(shè)備及設(shè)備隔振一定的情況下，主要通過改變甲板及艙壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計提高結(jié)構(gòu)的減隔振效果。下文通過對被考核甲板及艙壁結(jié)構(gòu)的參數(shù)影響分析來研究其減隔振特性，探究提高減隔振效果的方法。

3.2 甲板T型梁參數(shù)對結(jié)構(gòu)減振的影響

T型梁結(jié)構(gòu)是甲板板架結(jié)構(gòu)的主要承力構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅影響甲板結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性，還對其振動特性帶來重要影響。在原甲板方案的基礎(chǔ)上，通過改變T型梁的腹板高度及對應(yīng)的翼板寬度參數(shù)，研究其對甲板和艙壁減隔振特性的影響。其中方案1、方案2分別將甲板上所有T型梁的高度由原來的600 mm分別增加為700 mm、800 mm，對應(yīng)的翼板寬度由原來的300 mm分別增加為350 mm、400 mm，其它參量不變。結(jié)構(gòu)修改前后，在同樣的激勵條件下，甲板及艙壁結(jié)構(gòu)的平均振動對比如圖9至圖10所示。

從圖9甲板的平均振動比較來看，增加甲板T型強梁的高度及對應(yīng)的翼板寬度均能降低原甲板大多數(shù)振動響應(yīng)的峰值，對提高甲板板架的減振效果較為有利。從減振總級來看，方案2的減振效果最好，5 Hz～100 Hz范圍內(nèi)減振總級達(dá)到6.2 dB；方案1由于在54 Hz處振動響應(yīng)峰值相對原方案有明顯的放大，因此減振總效果不如方案2，但是相對于原方案仍有2.6 dB的減振效果。

圖9 改變甲板T型梁規(guī)格對甲板振動的影響

從圖10可以看出，改變甲板T型強梁參數(shù)對艙壁的平均振動影響較小。

圖10 改變甲板T型梁規(guī)格對艙壁振動的影響

3.3 甲板T型梁及加強筋布置對結(jié)構(gòu)減振的影響

T型梁及加強筋布置的變化將會改變板架結(jié)構(gòu)的靜、動剛度，進(jìn)而影響其動力學(xué)特性以及減隔振性能。

原型甲板板架上T型梁主要沿縱向布置，加強筋主要沿橫向布置，如圖2所示。在原甲板板架的基礎(chǔ)上，不改變T型梁及加強筋的參數(shù)，沿著甲板橫向T型梁的兩側(cè)，各均勻的改變1條、2條加強筋為T型強梁，如圖11、圖12中的甲板型材布置方案1、方案2。

圖11 甲板型材布置方案1

圖12 甲板型材布置方案2

結(jié)構(gòu)修改前后，在同樣的激勵條件下，甲板及艙壁結(jié)構(gòu)的平均振動對比分別如圖13、圖14所示。

從圖13甲板的平均振動比較結(jié)果來看，兩種布置方式能夠降低原甲板大多數(shù)振動響應(yīng)的峰值，對提高甲板板架的減振效果較為有利。從減振總級來看，在5 Hz～100 Hz頻段，甲板型材布置方案1的設(shè)計減振效果最好，減振總級達(dá)到9.4 dB；甲板型材布置方案2由于在54 Hz處振動響應(yīng)峰值相對其它兩個方案有一個明顯的放大，因此減振總效果不如布置方案1，但是相對于原方案仍然有5.7 dB的減振效果。

圖13 改變甲板型材布置對甲板振動的影響

從圖14艙壁的平均振動比較結(jié)果來看，改變甲板型材布置方式同樣對艙壁的平均振動影響較小。

圖14 改變甲板型材布置對艙壁振動的影響

3.4 艙壁型材參數(shù)對結(jié)構(gòu)減振特性的影響

對比分析了改變艙壁型材參數(shù)對甲板和艙壁減隔振特性的影響。艙壁型材方案1將艙壁的垂向扶強材均改為T型強梁；艙壁型材方案2將艙壁縱向扶強材中的兩條改為T型梁，如圖15，T型梁的規(guī)格與甲板板架上使用的T型梁規(guī)格相同。

圖15 方案2縱向扶強材規(guī)格的變動示意圖

結(jié)構(gòu)修改前后，在同樣的激勵條件下，艙壁的平均振動對比如圖16。甲板的平均振動對比如圖17。

圖16 改變艙壁型材對艙壁振動的影響

從圖16可以看出：改變艙壁型材規(guī)格對艙壁的平均振動有較大影響，而且分別改變艙壁的垂向和縱向型材的參數(shù)帶來的減振效果截然不同。艙壁型材方案1將垂向扶強材全部改為T型強梁，可以有效降低原艙壁在12 Hz、24 Hz、36 Hz、60 Hz等幾個較大的振動峰值頻率點的響應(yīng)，從而起到較好的減振設(shè)計效果。在5 Hz～100 Hz頻段，艙壁平均振動總級較原方案降低4.1 dB；艙壁型材方案2將縱向扶強材中的兩條改為T型強梁，放大了原艙壁在12 Hz處的振動響應(yīng)峰值，減隔振效果不佳。在5 Hz～100 Hz頻段范圍內(nèi)，振動總級較原方案放大2.2 dB。

從圖17可以看出：改變艙壁型材規(guī)格均使得甲板的平均振動響應(yīng)放大，其中艙壁型材方案1由于放大了原甲板在30 Hz、36 Hz處的振動響應(yīng)峰值，在5 Hz～100 Hz頻段，甲板平均振動總級較原方案放大3.8 dB；艙壁型材方案2由于放大了原甲板在12Hz處的振動響應(yīng)峰值，甲板平均振動總級則較原方案放大1.6 dB。

圖17 改變艙壁型材對甲板振動的影響

3.5 增設(shè)阻振質(zhì)量對結(jié)構(gòu)隔振特性的影響

阻振質(zhì)量是一個大而重的條體，其截面一般為矩形、正方形或者圓形，沿著聲振動傳遞途徑配置在板的結(jié)合處，使得結(jié)合處產(chǎn)生大的阻抗失配，用以隔離振動波的傳遞。本文考慮在主機艙底甲板與四個艙壁的交界處焊接一圈矩形阻振質(zhì)量進(jìn)行研究，阻振質(zhì)量的尺寸保持180 mm（高度）×60 mm（厚度）不變，但是設(shè)置方式不同。方案1將阻振質(zhì)量增設(shè)在振動源所在甲板（主機艙底甲板）的邊緣，方案2將阻振質(zhì)量增設(shè)在艙壁的根部，示意圖如下。

圖18 阻振質(zhì)量布置示意圖

結(jié)構(gòu)修改前后，在同樣的激勵下，甲板及艙壁結(jié)構(gòu)平均振動對比如下。

可以看出如圖19和圖20所示：增設(shè)阻振質(zhì)量可以有效地降低被考核甲板和艙壁結(jié)構(gòu)的振動，尤其是甲板和艙壁在24 Hz、36 Hz兩個較大的振動峰得到明顯的抑制，而且阻振質(zhì)量添加在振動源所在甲板的邊緣比設(shè)置在四周艙壁的根部減振效果更好。從減振總級來看，在5 Hz～100 Hz頻段，在主機艙底甲板的邊緣增設(shè)阻振質(zhì)量，被考核甲板和艙壁的減振總級分別達(dá)到8 dB、1.4 dB；在四周艙壁的根部增設(shè)阻振質(zhì)量，被考核甲板和艙壁的減振總級分別達(dá)到4.8 dB、2.5 dB。

圖19 增設(shè)阻振質(zhì)量對甲板振動的影響

圖20 增設(shè)阻振質(zhì)量對艙壁振動的影響

3.6 增設(shè)自由阻尼層對結(jié)構(gòu)減振的影響

自由阻尼層是將一層具有大阻尼的材料直接粘附在需要減振處理的機器零件或結(jié)構(gòu)件上，當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲振動時，阻尼層材料隨結(jié)構(gòu)一起振動，通過拉壓變形將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩鸬胶哪艿淖饔?。自由阻尼層由于施工方便等因素在工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最多。本文考慮在被考核甲板和艙壁上分別使用自由阻尼層，并研究其對結(jié)構(gòu)減振特性的影響。計算所用阻尼材料損耗因子為0.92，阻尼層的厚度按照一般經(jīng)驗取為板厚的3倍。在同樣的激勵條件下，對比增設(shè)阻尼層前后結(jié)構(gòu)表面測點的平均振動，結(jié)果如下圖。

如圖21所示：在被考核甲板上增設(shè)自由阻尼層，甲板板架在36 Hz處最大的振動響應(yīng)峰得到明顯抑制，在5 Hz～100 Hz頻段內(nèi)平均振動總級降低5.3 dB；如圖22所示：在被考核艙壁上增設(shè)自由阻尼層，艙壁板架在36 Hz、42 Hz處最大的振動響應(yīng)峰得到明顯抑制，在5 Hz～100 Hz頻段內(nèi)平均振動總級降低5.1 dB。因此在甲板和艙壁上增設(shè)自由阻尼層可以有效降低結(jié)構(gòu)自身的振動響應(yīng)。

同時從圖21也可以看出：在被考核艙壁上增設(shè)自由阻尼層后，被考核甲板的平均振動有所放大，但放大的程度較小，計算頻段內(nèi)被考核甲板平均振動總級放大1.5 dB，主要原因是當(dāng)被考核艙壁增設(shè)阻尼層后，模型整體質(zhì)量雖然有所增加，但是對被考核甲板的影響只是其振動固有頻率略有下降，其阻尼沒有改變。由于被考核甲板振動固有頻率下降，使得甲板結(jié)構(gòu)的固有頻率與主機激勵頻率36 Hz更為接近，導(dǎo)致甲板結(jié)構(gòu)共振點的動力放大系數(shù)增加，振動響應(yīng)峰增大；對于被考核甲板上增設(shè)自由阻尼層，被考核艙壁的振動受影響的情況亦如此，如圖22所示。

圖21 增設(shè)自由阻尼層對甲板振動的影響

圖22 增設(shè)自由阻尼層對艙壁振動的影響

4 結(jié)語

本文采用數(shù)值方法研究了某海洋平臺甲板及艙壁結(jié)構(gòu)在實際激勵力下的振動響應(yīng)特性和減隔振特性，分析了甲板和艙壁的不同設(shè)計對結(jié)構(gòu)減隔振特性的影響規(guī)律，研究得出以下主要結(jié)論：

（1）被考核甲板和艙壁結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)受設(shè)備激勵力和結(jié)構(gòu)模態(tài)的共同影響。在激勵設(shè)備及其隔振一定的情況下，主要通過改變被考核甲板及艙壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計提高結(jié)構(gòu)的減隔振效果；

（2）增大被考核甲板上的T型強梁高度及對應(yīng)的翼板寬度，或者將部分加強筋改為T型強梁的布置方式，均可以提高甲板的減振效果；

（3）將被考核艙壁上垂向加強筋全部改為T型強梁的布置可以提高艙壁的減振效果，但甲板的振動被放大；而將部分縱向加強筋改為T型強梁的布置方式對提高被考核艙壁及甲板的減振效果均不利；

（4）在激勵源所在甲板的四周邊緣增設(shè)阻振質(zhì)量，可以同時提高甲板及艙壁的減隔振效果；

（5）在被考核甲板增設(shè)自由阻尼層，只能提高甲板的減振效果，而艙壁的減振效果有所變差。在被考核艙壁上增設(shè)自由阻尼層同樣如此。