闫超群，王韶枫，王志刚，曲佳辉，范国栋，马炳杰

（1.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海201108；2.无锡齐耀华东隔振科技有限公司，江苏 无锡214000）

根据机械振动理论，提高机械的系统阻尼可以大大衰减机械系统的振动水平。通过在结构件上粘附阻尼材料结构层，可增加结构件的阻尼性能，提高其抗振性和稳定性[1]。而阻尼对结构振动响应的影响主要是在共振区，此区域正是我们最关注的区域[2]。附加阻尼结构尤其是自由阻尼结构，在不改变原设计的基础上，能显著降低辐射噪声，容易实现且成本低，而且不会显著地增加结构的的重量，符合发动机小型化、轻量化应用要求[3-5]。

热气机作为特种船舶使用的发动机，对其振动噪声性能具有严格的要求。热气机作为外燃机和柴油机相比，因燃烧过程是在过量空气下的连续燃烧，无气门结构，无爆燃，运行平稳振动小，故而辐射噪声较低。而油底壳作为薄壁构件，其刚度低、面积大，噪声辐射效率高，在整机辐射噪声中占比更大，其结构优化过程中又受到体积和质量的制约，为进一步降低热气机的振动进而提高声隐性能，现对其油底壳贴敷新型阻尼材料，与以往阻尼材料相比该新型阻尼材料具有密度更小、弹性模量更大的特点。当油底壳受到激励力而振动时，阻尼层随油底壳的变形，产生交变的应力和应变从而起到减振和阻尼的作用[1]。本文利用该新型阻尼材料的特点，研究其减振规律时发现：自由阻尼层贴覆厚度较小时油底壳也能产生很好的减振效果，并将贴覆优值厚度阻尼层的油底壳装机测试其降噪效果。

1 自由阻尼层结构减振的Oberst 梁理论

文献[6-7]中的阻尼合金和文献[8-9]中的纤维复合材料，这些材料作为基底材料贴覆自由阻尼层时其损耗因子可利用修正公式计算[10]。但此油底壳结构是铸铝材料，它的损耗因子同阻尼层相比可以忽略不计，可由以下公式推得[1,11]

式中：ηb，ηd分别表示复合结构和阻尼层的损耗因子；Ed，Es分别表示阻尼材料和结构的模量；而Id，Is则表示以复合结构中线计算出的截面惯性矩。

从式（1）中可以看出，复合结构的损耗因子既是阻尼厚度的函数，也是阻尼层模量比的函数，若想达到ηb→ηd的阻尼效果，除了要求阻尼材料自身具有高阻尼外，还对阻尼层厚度提出了要求。

图1给出了自由阻尼层的损耗因子比与厚度和模量比的变化规律，观察曲线可发现，只有在Ed/Es和阻尼层厚度都达到一定值时才具有显著的工程意义。

而此次试验油底壳贴敷的新阻尼材料的弹性模量较大，通过此曲线规律也为试验时阻尼层贴敷的厚度起到了关键指导作用。

2 无阻尼层结构油底壳计算模态和试验模态分析

图1 自由阻尼层损耗因子随厚度和模量比的变化

进行模态分析的目的是：通过模态分析得到油底壳模态频率，在后续的油底壳振动响应分析中重点关注自由阻尼层对油底壳在模态频率点附近振动衰减的效果，以满足油底壳对模态频率附近振动幅值控制的要求；试验模态得到的阻尼参数还可以用于后续计算模型的输入，便于进一步优化计算。

试验模态测量采用锤击法模态测试，并先通过有限元计算找到最适合的模态参考点，试验模态测量完成后再通过对比试验模态和计算模态振型，相互验证以防丢失模态。各阶计算模态和试验模态频率的对应通过比较两者模态振型确定，振型相同则为同一阶模态，图2是两者前3 阶模态振型对比结果，而油底壳前12阶模态频率具体结果如表1所示。

表1 计算模态与试验模态频率结果对比

在试验模态的频响函数中发现了油底壳的悬挂系统频率为10 Hz 左右，满足是第1 阶弹性频率的10%～20%，符合试验模拟自由边界的要求。计算模态与试验模态频率之间误差很小，说明了对油底壳有限元计算模型处理的合理性。

图2 油底壳前3阶计算模态和试验模态振型对比

3 随机激励下振动响应测量方法

由于油底壳模态频率丰富，为对比有、无阻尼层结构在其全频域的振动响应结果，研究自由阻尼层对油底壳的具体减振效果，现采用激振器激励的方法产生白噪声信号作用在油底壳上。在白噪声激励力的作用下，油底壳在各阶固有频率处就可能产生共振响应，通过测量油底壳各板面的振动响应值，就能得到阻尼层对油底壳各部位振动阻断和耗散的具体效果。

油底壳整体尺寸为：长×宽=1 128×470 mm，主厚度为4 mm。激振器激励点（P点）选在油底壳安装面螺纹孔附近，以模拟其实际安装时螺栓作用力所在位置，这是油底壳振动激励力实际的位置；从油底壳每个板面各选取了一个测点，五个测点（1#－5#）具体布置位置如图3所示。设计阻尼层厚度的最佳值，试验测量了油底壳在无阻尼层结构和贴敷3 mm、6 mm、9 mm 阻尼层后的振动响应。

图3 振动响应各测点测量布置图

图4是各个测点在不同阻尼层厚度下的振动响应的对比，图中只给出各个测点垂直于油底壳板面方向的振动响应。

从图4中可以看出：

（1）振动响应大的位置都在模态频率附近，但有些模态未被激起，这是因为：虽然模态是全局特性，但不同位置处的刚度不同，所以部分测点的某些阶模态可能激不起来或者振动幅值较小；论文只给出垂直于板面方向的振动响应，在观察油底壳振型动画时发现部分测点横纵方向振动明显，其垂直于板面方向振动没被激起，这是由于模态具有矢量性。

（2）部分测点10 Hz左右有响应峰值，这是弹性绳模拟自由边界时产生的测试系统悬挂频率所致。贴敷阻尼层后，油底壳各测点振动响应的幅值在全频段基本都有不同幅度的减小，尤其在其共振频率附近及800 Hz 以后振动响应峰值大幅降低，这说明阻尼对共振频率点和高频衰减效果尤为明显。

（3）随着阻尼层厚度增加，明显可看出共振频率在减小，原因有两个：

1) 是因为阻尼层刚度比基层结构的刚度小很多，阻尼层厚度的增加对油底壳重量的影响远大于刚度的影响这使得模态频率降低，这表明了阻尼层的阻尼特性；

2)是因为阻尼的增大虽不会影响模态频率但会降低共振频率，所以共振峰会左移。此外，阻尼材料的弹性模量和损耗因子也会随激励频率变化，但对共振频率的影响都小于质量增加的影响，最终导致各阶共振频率左移[4]。

图5是全频段振动响应总值在各个测点不同阻尼层厚度下的对比，图中给出了各个测点1/3倍频程的RMS值。

从图5中可以看出：

（1）阻尼层对油底壳振动衰减的效果非常明显，在6 mm时其对各板面油底壳的振动衰减幅度很大。当阻尼层厚度达到9 mm时，阻尼对振动响应进一步衰减的幅度较小，说明6 mm时达到了优值。这是因为该新型阻尼材料弹性模量较大，从阻尼层损耗因子随厚度和模量比的变化曲线也可看出，在Ed/Es≥10-2，当h2/h1=2 时基本已经达到ηb→ηd的阻尼效果，继续增加阻尼层厚度也基本不能较大程度地衰减振动，所以利用该新型阻尼材料小密度、大弹性模量的特点在兼顾油底壳轻量化的设计的同时亦可达到理想的减振效果。

图4 各测点不同阻尼层厚度振动响应对比

图5 各测点在不同阻尼层厚度振动响应总值对比

（2）已有的油底壳自由阻尼层结构设计大都是通过改变阻尼层厚度来达到减振效果，从实验结果发现：自由阻尼层厚度和弹性模量应该采用匹配设计的思路，可以在满足减振效果的同时兼顾到油底壳轻量化要求。

5 有、无自由阻尼层的油底壳噪声对比

热气机油底壳在贴覆自由阻尼层后对振动具有明显的衰减效果，在掌握阻尼层参数对振动衰减的规律后，为进一步得到阻尼层对油底壳噪声的衰减效果，现对贴覆6 mm厚阻尼层的油底壳进行装机测试，在油底壳两侧板和两端板1 m 远处各取一个测点测量其噪声声压级。由于篇幅所限测试只给出最终的结果，有、无阻尼层结构油底壳噪声测试结果对比如表2示。

从表中可以看出：油底壳贴覆阻尼层后油底壳辐射噪声降低显著，达到了2.58 dB，这说明整个阻尼层厚度的选取对减振、降噪来说都很恰当，同时进一步验证了新型阻尼材料可以利用其低密度、大弹性模量的特点，在阻尼层厚度达到较小值时依然可以使主结构达到较好的减振降噪效果。这对于对轻量化设计要求很高的动力机械来说有较大的实用意义。

6 结语

本文通过理论分析和台架试验，从自由阻尼层原理出发，对比分析了某型热气机油底壳在不同阻尼层厚度下的减振效果，总结了新型阻尼材料对油底壳减振的规律，提出了自由阻尼层厚度和弹性模量匹配设计的思路，并已将其应用于某新型大功率热气机的低噪声设计中。根据论文的理论和试验研究，得出如下结论：

（1）理论指导实践，通过对自由阻尼层减振原理的分析，根据阻尼材料的参数可大致确定涂层的厚度，减小盲目性，对最终选用贴敷阻尼层厚度具有重要的指导作用。

表2 有、无阻尼层结构油底壳噪声测试结果对比/dB

（2）贴敷的新型阻尼材料密度小、弹性模量大，即使减小贴敷的厚度也能达到很好的减振效果，这有利于减轻油底壳的重量，符合轻量化设计理念，也不致油底壳模态频率降低太多。可以看出贴敷新型阻尼材料对降低油底壳等薄壳、大面积类结构的振动，效果明显、经济适用。

（3）在对该新型大功率热气机比功率指标要求越来越高的研究背景下，应用新型阻尼材料，通过其大弹性模量特性进一步挖掘贴覆自由阻尼层复合结构的损耗因子，提高其阻尼特性，克服了已有的自由阻尼层贴覆过厚才能达到的阻尼减振效果，提出了油底壳阻尼层弹性模量和厚度匹配设计的低噪声设计思路。通过热气机整机台架试验对比，热气机油底壳贴覆的新型材料自由阻尼层，使得油底壳噪声降低2.58分贝，达到了低噪声设计要求。