牟文珺，桂洪斌

(哈尔滨工业大学（威海）船舶与海洋工程学院，山东 威海 264209)

0 引 言

设备是船舶的主要振动噪声源，对其振动噪声的有效抑制在船舶舒适性以及舰艇安静性方面具有重要意义。基座结构是设备振动传递到船体的主要途径，为了降低设备的振动传递，目前主要是通过在设备与基座之间安装隔振系统来实现。

随着对船舶舒适性和安静性要求的提高，迫切需要更有效的隔振措施。由于阻尼抑制振动的有效作用以及复合材料学科研究的发展与深入，采用由具有高阻尼性能并且可以独立作为结构材料的纤维增强复合材料设计成的复合材料基座替代低阻尼的传统钢质基座成为了增加设备隔振效果的一种选择。

为了研究出具有优良减振性能的复合材料基座，首先要掌握复合材料的阻尼及振动特性，其次基座结构较为复杂，将复合材料应用于船舶设备振动传递抑制需要综合性的研究分析。

本文首先对当前设备振动传递控制方法、复合材料的减振性能以及复合材料基座的应用进行综述，然后通过具体算例分析复合材料基座的减振效果。

1 船舶设备振动传递控制措施

实船上使用的设备振动传递控制方式主要为隔振，主要包括单层隔振，双层隔振和浮筏隔振。

1.1 单、双层隔振系统

单层隔振系统是把机械设备通过一层隔振器连接到基座上，利用隔振器本身的刚度和阻尼来对振动的传递进行隔离。单层隔振系统振动的传递率以1/ω2衰减[1]，一般认为单层隔振系统可以达到20 dB大小的隔振效果。

简单隔振装置的动力学模型建立于20世纪40年代[2]。Sanderson[3]预测了两物体之间单层隔振器的6个自由度的运动，得到了可用于计算激振力的传递公式。在单层隔振的分析方法方面，伍先俊等[4]证明统计能量法相较于导纳功率流能好的描述单层隔振器刚度和阻尼大小对功率流传递的影响。

但是单层隔振器存在刚度较低且高频隔振效果较差的缺点，因此在单层隔振系统的基础上，在2层隔振器之间插入中间质量，发展出双层隔振系统，如图1所示。双层隔振系统可改善单层隔振刚度较差的缺点且具有更好的隔振效果，其振动传递率以1/ω4衰减，在低频区可降低振动传递不少于35 dB, 高频区可达50 dB[5]。

图 1 双层隔振系统Fig. 1 Double-layer vibration isolation system

针对双层隔振系统的分析，沈荣瀛等[6]通过传递函数曲线得双层隔振系统各动态参数的选择方法，并将随机激振试验结果与理论结果相对比，得出双层隔振系统较单层隔振系统的优势。杨义顺等[7]利用有限元法分析双层隔振系统中质量比、弹性模量等参数的改变对船舶结构振动传递的影响, 并将数值结果与试验结果进行比较。肖斌等[8]基于功率流法并结合系统隔振试验及模态试验研究双层隔振系统的振动传递，通过系统主导模态、耦合和阻尼等耗散特征以及初级激扰力特征提高双层隔振系统隔振性能。

1.2 浮筏隔振系统

为解决双层隔振系统中间质量过重带来的缺点，产生了浮筏隔振系统，即多台设备可共用一个中间质量（筏架），如图2所示。以振级落差为评价指标，浮筏隔振系统可获得40 dB以上的隔振效果[5]，但目前较明显的局限性是需要较大的安装空间。

图 2 浮筏隔振系统Fig. 2 Floating raft isolation system

针对浮筏隔振系统的性能，张树桢等[9]利用功率流作为浮筏隔振系统的性能评价指标，就筏架和基座的柔性变形、负载质量、隔振器刚度和阻尼以及筏架和基座损耗因子对隔振效果的影响进行了理论与数值分析。黄其柏等[10]以振级落差为评价指标，使用有限元分析法研究了2种筏体结构的浮筏隔振系统的隔振效果, 并与试验结果进行对比。许树浩等[11]比较了加速度响应与功率流响应2种评价指标反应隔振系统隔振效果的优劣，结果表明功率流法会优于加速度响应做为评价指标的评价体系。吴刚等[12]利用有限元法和综合数值法设计浮筏隔振系统，并对该系统的主要参数进行模拟研究，证明较小的隔振器刚度和较大的中间筏体质量能有效改善系统低频隔振特性。Li等[13]使用解析法及功率流法分析了由约束阻尼梁构成的浮筏隔振系统动态性能，证明浮筏隔离系统可以提供更高的隔振效果。

1.3 基座结构及分布对振动传递的影响

基座作为设备振动传递到船体的主要路径，是控制设备振动传递的重要环节。

Wen等[14]设计了内有4个设备支撑基座的环肋圆柱壳模型，研究了内部基座的结构形式和布局定位对环肋圆柱壳振动传播特性的影响。申华等[15]设计了3种形式的基座，采用有限元分析与试验相结合的方法，以振级落差为评价标准，研究了动力舱段壳体的振动模态和由基座至壳体的振动传递特性，证明了基座刚度越大，其抑制设备振动传递的效果越好；张彤彤等[16]以振级落差为评价指标，研究了基座结构参数对基座阻抗及艇体振动的影响规律，研究结果表明增大面板厚度及偏置腹板可以提高基座结构输入机械阻抗，降低艇体振动响应；王国治等[17]使用有限元/边界元法研究基座结构的振动特性，证明了基座面板厚度、粘贴阻尼层及减震器刚度对设备振动传递性能有明显的影响。郑律等[18]使用波动分析法分析了设备振动在双层壳中的传递特性，采用有限元与边界元结合法分析基座结构连接处阻抗失配对基座的减振性能的影响，证明可通过对振动波的分流提高基座减振降噪效果。

基座作为设备振动传递到船体的最直接路径，可以更改基座结构形式及参数提升基座的减振性能，其中增加面板厚度，提高输入机械阻抗的效果最为明显，但增加面板厚度必定以增加结构质量为代价，不符合船舶轻量化的设计要求。为更好地控制船舶设备振动传递，使用质量轻且具有高阻尼特性的纤维增强复合材料替代原有的钢质基座结构是一种值得研究的手段。

2 复合材料阻尼及减振效果

纤维增强复合材料由增强纤维和基体组成，相较于金属，复合材料普遍具有高阻尼特性。复合材料对振动的控制主要通过阻尼耗散实现，复合材料的阻尼主要来源于聚合物基体的粘弹性，其次是纤维与基体相对运动产生的耗散[19]。

Adams和Bacon[20]对纤维方向和层压板几何特性对纤维增强复合材料的弯曲和扭转阻尼和模量的影响进行了理论预测，并与试验结果吻合较好，后人称之提出的理论为Adams-Bacon方法。该方法提出了正交各向异性层合板比阻尼能力的概念，其中为总耗散能，U为总应变能； Adams和Maheri[21]利用单向复合材料的基本弹性关系, 结合Adams-Bacon阻尼准则,对各向异性碳纤维布和玻璃钢梁的阻尼进行了预测，证明复合材料动态性能与阻尼的变化有关；Hadj Youzera等[22]研究了3层对称层合梁的阻尼和非线性受迫振动，基于谐波平衡法和Galerkin方法，建立标量复数非线性幅频关系，针对各种几何和材料特性得出频率响应曲线。

复合材料的铺层方向是定义复合材料整体特性的基础，合理的铺层角度可实现材料阻尼的最大化[20]，从而体现复合材料的减振效果。Jeong等[23]在配备有光纤振动计的真空室和电磁锤的条件下进行高强度对称层压碳纤维环氧复合薄梁的动态特性试验，获得了铺层角度与阻尼比的关系。Calim[24]研究了复合材料梁的自由与强迫振动，用互补函数方法进行数值求解，精确计算复合材料梁的动态刚度矩阵，研究了非均匀性参数和纤维取向角对梁振动响应的影响。

3 复合材料基座在船舶设备振动传递控制中的应用

复合材料在船舶上已应用于上层建筑，螺旋桨，先进桅杆系统等，但复合材料基座仅处于探索研究阶段，并未有实船应用实例[25]。

赵树磊等[26]在实验中对比了金属材料基座和复合材料基座的振动传递性能，证明复合材料基座具有良好减振效果。郎彦[27]使用有限元法结合导纳法对同结构的复合材料基座和钢基座的隔振系统振动特性进行比较。任贺厉[28]使用导纳能量流理论，通过有限元方法比较了含单层隔振系统的钢质基座及复合材料基座的减振动效果。杨德庆等[29]以功率流与振级落差为评价指标对复合材料基座进行减振效果评估，以钢板厚度、复合材料铺层数和铺层角度为优化变量，采用多岛遗传算法进行求解，比较振源及肘板处替换复合材料的基座与钢质基座减振效果。张永胜等[30]以均方加速度响应及基座输入阻抗为评价指标，为某平台设计减振方案并进行数值仿真。李国亮[31]以功率流为评价指标，结合有限元法研究了材料刚度、阻尼及铺层参数对基座减振效果的影响；通过激振试验，探究了碳纤维基座对隔振试验平台固有振动特性的影响并与钢质基座减振效果对比，证明碳纤维基座可有效减少激振力传递。

3.1 复合材料使用位置的计算分析

为数值分析复合材料基座的减振效果，在Abaqu内建立如表1和表2所示的船体基座结构模型，如图3所示。采用自由分网划分技术，设置近似全局尺寸为50，以S4R四节点曲壳单元模拟船体基座结构，使用模态叠加法进行动态响应分析，以均方加速度为评价指标，评估在肘板、腹板位置使用碳纤维增强复合材料的基座对船舶设备振动传递的控制效果，并比较在不同基体、不同铺层参数下复合材料基座的减振能力。

在面板施加单位正弦载荷以模拟设备在0～500 Hz中低频范围内由基座传入的激振力，激振力通过基座传递到船舶壳体，在船体N201，N275，N4681，N8281四点处输出加速度响应传递函数，取均方响应平均值，如图4所示。

表 1 船体结构参数Tab. 1 Structural parameters of module

表 2 基座结构参数Tab. 2 Structural parameters of pedestal

图 3 基座-船体结构模型Fig. 3 Pedestal - Hull structure model

图 4 加速度响应点Fig. 4 Acceleration response point

为适当提高结构的输入阻抗，并满足实际应用中面板需要打孔固定设备的要求，基座面板均使用钢板。依次分析将基座肘板、腹板以及肘板腹板均替换为MT300/603复合材料时基座控制振动传递的效果，铺层方式采用[0]80，相关材料属性参考文献[32]。

无论何位置替换为复合材料的基座均可明显降低钢质基座的共振峰值，最大可有效降低80%的加速度响应，如图5所示。同时替换两板在大多数频段内放大了船体振动响应；在200～300 Hz频段内腹板替换为复合材料的基座响应较小；在300～500 Hz频段内肘板替换为复合材料的基座响应较小，如图6所示。因此肘板为复合材料的基座可在较广的频段内产生更佳的减振效果，说明改变肘板材料对基座减振性能影响最大，即在基座肘板处使用复合材料可以更好的控制设备振动传递。

图 5 复合材料与钢质基座响应对比Fig. 5 Comparison of response between composite materials and steel pedestal

3.2 复合材料基体及铺层角度的计算分析

使用同纤维不同树脂基体的碳纤维增强复合材料MT300/603及MT300/603A替换基座钢质肘板，铺层方式采用[0]80。如图7所示，2种基座输出的加速度响应具有一定差别，在峰值处最大相差50%，证明复合材料基体性质对基座减振效果具有较大影响。

图 6 三种复合材料基座响应对比Fig. 6 Comparison of three composite pedestals responses

图 7 不同基体的复合材料肘板减振效果对比Fig. 7 Comparison of damping effect of composite brackets with different substrates

最后验证不同铺层角度对复合材料基座减振性能的影响，肘板替换MT300/603A，分别采用[0]80，[45/–45/0/90]20s，[0/90/–45/45]20s三种铺层方式，如图8所示。第2种铺层方式在频段内可有效降低加速度响应，较减振效果最弱的第1种铺层方式最高可降低42%的船体振动响应，因此铺层角度的改变对基座减振能力有着明显的影响。

图 8 三种铺层角度的复合材料基座减振效果Fig. 8 Damping effect of composite pedestal with 3 ply-angles

4 结 语

本文对复合材料基座在船舶设备振动传递控制中的应用现状进行介绍和总结，并通过算例分析验证了复合材料基座的应用效果。由总结和分析可见：

1）复合材料相较于传统金属材料有较高阻尼，在保证材料强度的前提下采用复合材料更有益于振动控制；

2）复合材料基座相较于钢质基座具有更好的抑制船舶设备振动传递的效果，复合材料的使用位置、基体属性及纤维铺层角度均会影响基座的减振效果；现无多种复合材料的减振效果对比研究，复合材料基座研究领域仍有较大空白，需要进行更深入的研究。

3）隔振系统与复合材料基座减振相结合，理论上可以更加高效的实现设备振动传递的抑制，这应是未来设备振动控制的研究方向之一。