李志远，彭子龙，温华兵，夏兆旺，吴俊杰

（江苏科技大学 振动噪声研究所，江苏 镇江212003）

船舶和舰艇在低速和中速航行时，影响其隐蔽性和探测能力的主要因素是机械设备运转的辐射噪声。振动通过支撑基座、管路系统等传至船体，激励船体振动并向水中辐射噪声[1]。

在舰船舱室内，将两台或两台以上动力机械设备通过上层隔振器共同安装在一个较大的中间质量（筏体）上，筏体再通过下层隔振器安装在船体基座上，这就是浮筏隔振系统的基本构成。其中，浮筏隔振系统如图1所示。

图1 浮筏隔振系统示意图

浮筏隔振装置不仅可以有效利用船舶的空间和负载，而且其中间质量具有很大的机械阻抗，有利于提高隔振效果[2]。

以往的研究中，学者们对影响浮筏隔振系统隔振性能的隔振器刚度、阻尼参数和筏体、基座等参数进行了计算和分析，并得出了较为一致的结论，为以后的研究奠定了坚实的基础[3]。文献[4-8]通过多刚体动力学分析方法、有限元分析方法、阻抗综合分析方法、四端参数法以及功率流分析等方法对浮筏隔振装置进行了计算与分析。其中，有限元法虽然建模计算分析过程略微复杂，但由于其可对筏体和基座进行精确建模并实现刚体和弹性体的自由设置，大大提高了计算结果的准确性，是目前浮筏系统仿真计算中应用最为广泛的一种方法[9]。使用有限元法计算时，可以对中间筏体进行准确性较高的模拟，通过调整筏体的结构形式对系统的隔振效果进行计算和分析。

以往的学者们对于浮筏筏体结构的研究较少，目前最新的进展是周期结构浮筏，其能够在某一较小频段取得理想的隔振效果[10]。但是，周期结构浮筏的筏体结构极其复杂，制造加工也存在较多问题，所以在工程实际中往往不予采用。针对当前对于筏体结构研究不足的现状，基于理论研究和工程实际相结合的思想，对浮筏筏体结构进行改进设计并计算其隔振效果。

1 浮筏隔振系统有限元建模

本文研究的多扰动源浮筏隔振系统由某船用双台柴油发电机组、上层隔振器、下层隔振器、筏体和基座构成。由于某船特殊航行和工作条件，对其舱室内电力和动力机械设备的振动、冲击和噪声指标要求较高。在隔振设计中，首先要做到的是弄清被隔振机械设备的振动激励特性。柴油发电机组的扰动力可以分为柴油机的扰动力和发电机的扰动力，考虑到在实际运转过程中，作为往复机械的柴油机扰动力远远大于作为旋转机械的发电机扰动力，与柴油机相比，发电机的扰动力可以忽略不计[11]。文中被隔振的柴油发电机组重量约4 500 kg，额定转速1 500 r/min，柴油机是“V”型12 缸机，机组前3 阶扰动力频率分别为25 Hz、50 Hz和75 Hz。

原设计参数浮筏筏体三维模型见图2，浮筏隔振系统有限元模型如图3所示。

有限元建模的过程中，依据外形尺寸基本保持一致的原则，将柴油机简化为一个长方体，飞轮和发电机简化为两个圆柱体，公共底座简化为一个厚度与实际接近的长方体板。

图2 原设计参数筏体三维模型

图3 浮筏隔振系统有限元模型

根据调整柴油机、飞轮、发电机和公共底座的密度，使整个柴油发电机组的重心位置和整体转动惯量与实际保持一致。为研究柴油发电机组经过浮筏隔振装置后传递到基座的振动传递率，筏体和基座均需要按照实际尺寸精确建模。筏体由上面板、下面板和中间肋板构成。筏体宽度方向（横向）长为3.2 m，长度方向（纵向）长为2.8 m，筏体内部横向和纵向分别有4 条主肋板，上层隔振器安装位置设置有横向小肋板。由于柴油机油底壳的存在，筏体上面板两侧为下凹式结构，给柴油机油底壳留出充足安装空间。筏体垂向高度为0.35 m，下凹部分垂向高度为0.18 m。为减轻筏体多余重量，筏体上面板和下面板均为开孔平板。筏体所有面板及肋板均采用厚度为20 mm的不锈钢板。载荷和约束分别通过在柴油发电机组重心上方施加一个激振力和基座下板下方多点的固定约束模拟。上层采用WHG-600剪切压缩型橡胶隔振器，下层采用SJD-1200抗冲击型隔振器，相关力学参数见表1。

在有限元中，上层隔振器和下层隔振器均采用Bushing 单元模拟。上层隔振器和下层隔振器阻尼比均取0.08，其阻尼系数可按如下表达式进行计算

式中：m为隔振器工作时的负载质量，k为隔振器的动刚度，C为阻尼系数，ξ为阻尼比。

2 筏体改进设计及隔振性能分析

2.1 基于提高筏体整体刚度思想对筏体结构改进

筏体的抗扭刚度和抗弯刚度主要体现在筏体一扭、一弯和弯扭复合的模态固有频率上。筏体的一扭、一弯和弯扭复合的模态固有频率越高，表明筏体的整体抗扭刚度和抗弯刚度越好。为了进一步提升浮筏的隔振性能，避免共振发生，在保证总体尺寸和重量在一定范围的情况下，不断调整筏体结构，增加筏体的抗扭和抗弯刚度，使得增加的重量得到最有效利用。

表1 隔振器相关力学参数

这里采用的方案是在筏体两侧下凹部位增加两条45°角的纵向斜板。斜板长度与筏体长度一致为2.8 m，宽度为0.24 m，厚度为20 mm。增加两条斜板后，重量增加约为筏体总重的5%，改进前后筏体肋板结构前视图如图4所示。

图4 普通和加斜板筏体肋板结构示意图

通过改进筏体结构，提高了筏体一扭、一弯和弯扭复合的模态固有频率，改进前后的筏体前3 阶模态振型见表2。

对筏体改进前后的浮筏隔振系统进行谐响应分析，计算得到改进前后的浮筏系统振动传递率如图5所示。

图5 改进前后浮筏隔振性能对比

由图5和表2可知，增加的2条纵向斜板即增加了筏体的抗扭和抗弯刚度，有效提升了筏体的一扭、一弯和弯扭复合的固有频率。在100 Hz 以下频段内，加斜板前后浮筏的振动传递率基本保持一致；在100 Hz～400 Hz 频段范围内，由于筏体前几阶模态固有频率增加的影响，加斜板后共振峰值的对应频率明显提高；在400 Hz～1 000 Hz频段范围内，加斜板后系统大部分共振峰值明显小于原浮筏系统。

2.2 基于结构不连续的阻波思想对筏体结构改进

改进筏体中部肋板结构，拟采用间断肋筏体[12]。筏体四周使用完整长肋板，保证筏体整体具有较高的刚度。筏体中部主肋板进行打断，横向主肋板两侧打断部分长度为0.45 m，纵向主肋板两侧打断部分长度为0.18 m，在被打断的两侧纵向主肋板中间部分设置长度为0.65 m 的横向肋板形成交叉肋板。改进前后筏体肋板结构上视图如图6所示。

图6 普通和间断肋筏体肋板结构示意图

改进前后筏体重量差小于总重的3%，因此，重量方面改变引起系统隔振效果的变化可以忽略不计。对2种筏体自由模态进行计算，表3给出部分计算结果。

其中间断肋式筏体比普通筏体在600 Hz～1 000 Hz频段范围内多出2阶模态，其模态振型图见图7。

同时对2 种浮筏隔振系统进行振动传递率计算，得到系统振动传递率对比见图8。

从图8中可以看出，在0～360 Hz频段范围内，2种浮筏系统的振动传递率几乎保持一致；在360 Hz～600 Hz 频段范围内，2 种浮筏振动传递率各有高低，考虑其原因是两种筏体的模态各有不同导致的。在600 Hz～1 000 Hz 频段范围内，间断肋浮筏隔振效果明显好于普通浮筏。

表2 改进前后筏体自由和负载状态下主要模态振型及固有频率

图7 改进筏体多出的两阶模态振型

图8 改进前后浮筏隔振性能对比

由表3可知，在600 Hz～1 000 Hz 频段范围内，间断肋筏体多出了两阶模态。由于筏体主肋板的间断，间断肋筏体出现了更多的模态使其振动能量较为分散，同时间断肋筏体在中高频段模态包括较多的扭转，浮筏振动传递率降低。并且，中高频振动波与低频振动波相比其波长较短，在间断肋筏体中传播时更容易发生反射和衰减，从而消耗掉更多的能量。

2.3 基于局域共振阻振质量的思想对筏体结构改进

基于提高筏体局部刚度和阻振质量[13]的思想，在筏体主肋板四周即隔振器安装位置加肋板，肋板长度为0.25 m，高度和其它肋板高度一致为0.31 m，厚度为20 mm，改进前后筏体肋板结构上视图如图9所示。

增加的肋板使得筏体局部刚度有所增加，并且也起到了一定的阻振质量的作用。增加的肋板质量约为筏体重量总重量的5%，重量方面改变引起系统隔振效果的变化可以忽略不计。其中图10为改进筏体的部分模态振型图，同时对系统进行谐响应分析求得改进前后系统振动传递率如图11所示。

图9 普通和加小肋板筏体肋板结构示意图

图10 改进筏体部分模态振型

图11 改进前后浮筏隔振性能对比

由图11可知，在200 Hz 以下频段内，加肋板浮筏比普通浮筏多出了几个共振峰。其中，在13 Hz和110 Hz处的共振峰使得振动产生了一定放大。在200 Hz～1 000 Hz 频段范围内，加肋板后的浮筏共振峰明显多于普通浮筏，且隔振效果明显好于普通浮筏约30 dB。肋板的增多使得筏体在中高频的模态数增加，局域共振增加，振动波在筏体中的反射增加，振动波衰减增大。同时，增加的肋板也起到了一定的阻振质量的作用，更好地降低系统的振动传递率。

将原设计筏体和3种改进方案的振动传递率计算结果进行分析，取倍频程下5个主要频率点，其分别为63 Hz、125 Hz、250 Hz、500 Hz 和1 kHz。绘制出4 种方案在5 个主要频率点下的振动传递率如图12所示。

加斜板浮筏在前3个低频率点和原浮筏振动传递率相差不大，在后2 个高频率点隔振效果略好于原浮筏；间断肋浮筏在500 Hz 时隔振效果变差，在1 kHz 时隔振效果明显好于原浮筏；加肋板浮筏在125 Hz 时隔振效果变差，但在后3 个高频率点处隔振效果提升明显。

表3 两种筏体部分模态固有频率

图12 倍频程下4种方案隔振效果

3 结语

本文通过建立2台柴油发电机组浮筏隔振装置的有限元模型，基于筏体改进的基本思想提出了3种筏体的主要结构改进方式，分别探讨了每种改进方式下的系统隔振性能，得到的主要结论如下：

基于提高筏体抗扭和抗弯刚度改进思想，提出在筏体易弯曲位置加斜板，提升筏体抗扭和抗弯刚度会使筏体前几阶模态固有频率提高，中高频段共振峰值降低，整体隔振效果提升；基于结构不连续的阻波思想，改进设计了间断肋浮筏并计算了其隔振性能，结果表明低频段与普通浮筏隔振效果保持一致，中高频段隔振效果良好；基于局域共振和阻振质量思想，提出在隔振器位置加肋板，相较于普通浮筏其在中高频段隔振效果提升明显。