遠(yuǎn)洋客船空調(diào)機(jī)組基座結(jié)構(gòu)減振性能分析

束偉宏,王一飛,吳天歌

(1.中海油服湛江分公司船舶作業(yè)公司,廣東 湛江 524057;2.中船郵輪科技發(fā)展公司,上海 200137;3.江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

船舶動力設(shè)備通常采用減振措施以降低振動對船體結(jié)構(gòu)的危害[1-2]。除了浮筏隔振、雙層隔振和單層隔振之外,基座結(jié)構(gòu)減振也是一種重要的減振方式。基座結(jié)構(gòu)是傳遞振動的重要通道。由于受到諸多因素的限制,目前對于船舶動力設(shè)備基座振動控制的研究成果還不是十分豐富,主要有復(fù)合基座結(jié)構(gòu)的減振性能分析[3]和阻尼材料對基座減振性能的影響[4-6]等,需進(jìn)一步深入研究基座隔振問題。

本文采用有限元分析法對遠(yuǎn)洋客船空調(diào)機(jī)組基座結(jié)構(gòu)減振性能進(jìn)行分析,并研究腹板位置、阻振結(jié)構(gòu)塊位置和阻尼層對基座減振性能的影響規(guī)律。

1 基座結(jié)構(gòu)的有限元模型

利用SOLIDWORKS軟件建立基座減振系統(tǒng)模型,見圖1。采用雙層式底板,底板上下兩層長×寬為1 775 mm×1 240 mm的平板,兩段板間距100 mm,用6根肋板連接,橫向肋長1 525 mm、縱向肋長1 200 mm,肋板厚度固定為12 mm。

圖1 基座減振系統(tǒng)模型

2 基座模態(tài)及減振性能分析

空調(diào)機(jī)組基座結(jié)構(gòu)在約束狀態(tài)下,其前六階模態(tài)頻率和振型見圖2。

圖2 基座前六階振型

采用加速度振級落差作為評價(jià)指標(biāo),其定義為

式中:Lp為加速度振級落差,dB;ai、aj分別基座上面板和下面板i、j處的加速度,m/s2。

對基座進(jìn)行諧響應(yīng)分析,激力幅值為100 N,計(jì)算0～1 000 Hz頻段的加速度響應(yīng),得到加速度振級落差曲線見圖3。從圖3可以看出:在0～400 Hz頻段,基座的減振性能隨著頻率的增加緩慢增大;在400～800 Hz頻段,加速度振級落差曲線呈現(xiàn)出峰谷交替并逐漸下降的波動趨勢;在基座的固有頻率附近,振級落差明顯變差。

圖3 基座結(jié)構(gòu)減振性能曲線

3 阻振質(zhì)量塊位置對基座減振特性的影響

根據(jù)基座模型,在基座腹板中部布置一個阻振質(zhì)量塊結(jié)構(gòu),見圖4。

圖4 阻振質(zhì)量塊布置位置示意圖

阻振質(zhì)量塊位于基座結(jié)構(gòu)中的腹板與底板交接位置,距離基座底板的高度h為0,將h分別調(diào)整為50 mm和100 mm,其他邊界條件不變,分析阻振質(zhì)量塊位置對基座結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性和減振性能的影響規(guī)律,見表1和圖5。

表1 阻振質(zhì)量塊不同位置時(shí)的基座模態(tài)頻率 單位:Hz

圖5 不同高度下的振級落差

從表1中可以看出,基座結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率隨阻振質(zhì)量塊位置的上移而減小。在3種不同位置阻振質(zhì)量塊的情況下,阻振質(zhì)量塊布置位置越高,基座結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率越低。

從圖5中可以看出:布置阻振質(zhì)量塊后基座結(jié)構(gòu)的整體減振性能隨之提升,并且中高頻段共振峰值有所降低;阻振質(zhì)量塊的位置越往下基座結(jié)構(gòu)的減振性能越好。這主要是由于阻振質(zhì)量塊相較于基座面板具有較大的阻抗,使得基座結(jié)構(gòu)阻抗失配,基座傳遞到阻振質(zhì)量塊的振動形成散射和反射,只有小部分的振動能夠通過,從而達(dá)到了更好的減振效果。相對其他位置,h=0時(shí)的阻振結(jié)構(gòu)處于兩板連接處,能有效提高基座整體剛性,提升基座的整體抗扭和抗彎剛度,阻抗失配更明顯。

4 阻尼層對基座減振性能的影響

在原有基座結(jié)構(gòu)肋板和腹板的表面分別敷設(shè)2、6、10 mm 3種不同厚度的阻尼層,見圖6。其他參數(shù)不變,通過有限元方法,對敷設(shè)約束阻尼層的基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振性能分析。

圖6 基座約束阻尼層示意圖

不同阻尼層厚度情況下減振系統(tǒng)的約束模態(tài)固有頻率見表2。由表2可知,阻尼層厚度變化對基座結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率影響很小。這是由于阻尼材料剛度比基座腹板的結(jié)構(gòu)鋼小很多,增加的質(zhì)量也很小,因此當(dāng)阻尼層厚度增大時(shí),模態(tài)頻率變化很小。

表2 不同阻尼層厚度時(shí)基座的模態(tài)頻率單位:Hz

不同阻尼層厚度時(shí)基座的減振性能見圖7。從圖7中可以看出:基座加速度振級落差曲線在1～200 Hz頻段變化趨勢基本一致,3種不同厚度阻尼材料振級落差曲線相似;在400～800 Hz頻段,加速度振級落差隨著阻尼層厚度增加而增加。因此,選擇10 mm厚阻尼層可在中頻率區(qū)間段取得良好的減振效果。

圖7 不同厚度阻尼層振級落差曲線

當(dāng)其他條件和系統(tǒng)參數(shù)不變時(shí),阻尼層的布置位置對基座的模態(tài)頻率和減振性能的影響見表3和圖8。其中,阻尼層厚度為10 mm,敷設(shè)位置分別為腹板和肋板敷設(shè)、僅腹板敷設(shè)和僅肋板敷設(shè)。

表3 阻尼層位置對基座的模態(tài)頻率的影響 單位:Hz

圖8 阻尼層位置對基座振級落差的影響曲線

從表3中可以看出,敷設(shè)阻尼層的位置對基座結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率影響很小,不同阻尼層位置時(shí)基座的模態(tài)頻率差別在1%以內(nèi)。

由圖8中可以看出:所有敷設(shè)阻尼層的方案都能提高基座結(jié)構(gòu)的減振性能;在中低頻段,腹板加肋板敷設(shè)阻尼層時(shí)基座的減振效果最好,僅在腹板上敷設(shè)阻尼層時(shí)基座的減振效果最差。

5 結(jié)論

(1)布置阻振質(zhì)量塊和敷設(shè)阻尼層都可以提高基座結(jié)構(gòu)的減振性能。

(2)在基座中添加阻振質(zhì)量塊可以提高基座結(jié)構(gòu)的減振性能,其中在腹板與基座位置添加阻振結(jié)構(gòu)時(shí)效果最好。

(3)阻尼層可以提高基座結(jié)構(gòu)的減振效果。阻尼層的厚度越大減振效果越好,其中在腹板加肋板處敷設(shè)阻尼層時(shí)基座的減振效果最好。