基于周期结构的船舶管路系统减振性能研究

　　摘 要:以船舶管路系统为研究对象,分析其减振特性｡基于周期结构理论,建立能带结构及振动传递特性的计 算方法,研究周期管路系统的减振性能,探讨结构参数对减振性能的影响规律,并采用有限元法对船舶周期管路 系统的减振性能进行仿真分析｡研究结果表明:周期管路系统在全频段内减振性能显著提升,在0~600Hz频 段减振性能提高4.7dB｡

　　关键词:船舶管理系统;周期结构;减振降噪;带隙特性

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　　引言

　　船舶动力设备产生的振动通过基座及管路系统 传递到船体,并向水下辐射噪声,严重影响其隐身性 能｡随着船舶动力设备噪声和螺旋桨噪声得到 有效控制,管路系统传递的噪声成为船舶水下声辐 射的主要来源｡因此,开展管路系统减振降噪新 技术研究至关重要｡

　　随着探测设备性能的不断提升,船舶对隐身性 能的要求越来越高｡高强度的噪声不仅危害船 员健康,还会降低船舶的动力性能｡对船舶动力 设备的减振,国内外学者开展了大量的仿真和试验 研究,也取得了一系列的研究成果｡本文以周期 结构特性下的船舶管路系统为研究对象,基于周期 结构对管路系统进行低频减振设计,并对周期导管 的带隙特性进行研究｡

　　1 周期管路减振基本理论

　　周期管路减振理论基于周期性结构能够表现出 对弹性波的衰减域特性,为周期结构带隙特性｡弹 性波在周期管路结构中传播时,会受到弹性特性和 密度的影响｡利用带隙特性可以对振动传递实现抑 制效果,周期管路的结构示意图见图1｡

　　假设忽略橡胶材料本身结构阻尼影响,局域振 子结构可以简化为“K⁃质量”模型｡进一步地,局域 共振周期管路可以被简化为一个K⁃振子周期分布 的梁结构,其等效简化模型见图2｡其中,弹簧代表 材料的弹性,质量代表振动质点的惯性,梁结构则反 映了振动周期的分布情况｡

　　假设:周期管路结构为无限长周期结构;周期管 路内为理想且不可压缩流体,液体在流动时不会产 生气泡;周期管路为各向同性和均匀线性｡在上述 假设条件下,周期管路结构的弯曲振动方程为

　　[E I frac{partial^{4} w}{partial x^{4}}+m_{f} u^{2} frac{partial^{2} w}{partial x^{2}}+2 m_{f} u frac{partial^{2} w}{partial x partial t}+left(m_{f}+ ight.]

　　[left.m_{p} ight) frac{partial^{2} w}{partial t^{2}}=0 (1)]

　　式中: E 为周期管路的杨氏模量 I 为周期结构横截 面转动惯量; (m_{f}) 为周期管路系统中单位长度液体的 质量: (m_{P}) 为单位长度管路的质量 u t分别为液体在 周期管路中的流速和时间｡

　　2 周期管路系统减振性能研究

　　2.1 周期管路模态分析

　　周期管路系统主要由周期管路单元组成,管路 内的空间通过三维单元进行划分｡然后基于周期管 路系统的边界条件,得到周期管路结构的带隙｡起 始频率和截止频率对带隙特性有着重要的影响,应 当使得带隙的起始频率尽可能降低,同时相应的提 升带隙特性的截止频率,在降低低频振动设计中尤 为重要｡先将周期管路系统划分为多个子系统,每 个子系统得到一个传递矩阵,进而获得整个周期管 路系统的状态传递矩阵｡再将管路设计成周期结 构,进而分析周期管路系统的带隙特性｡

　　周期管路的局域振子模型结构由橡胶环和金属 环组成,该结构可以等效为弹簧⁃质量单元模型｡橡 胶环与金属外环过盈配合,并用螺栓连接2个半圆 形的金属外环｡周期管路管长为12m,局域振子间 距为1.5m。为了拆卸方便,金属外环可以分开,为了验证管路系统的带隙融合效应,8个局域 振子分为2种尺寸类型,每种各4个,交替排列在管 路上,2个相邻的振子相距为0.8m。

　　由表可知,结构最小共振频率为40.7Hz｡在 施加外部载荷时,应尽可能避开周期结构的固有频 率,确保结构安全｡

　　2.2 单元排列长度减振性能分析

　　周期管路在大型船舶中起着重要的减振降噪作 用,大量应用于船体的燃油系统､润滑系统､冷却系 统等｡不同的材料排列顺序对导管减振性能的影响 也不同,因此测试不同材料对导管减振性能影响,对 于大型船舶的减振参数研究十分重要｡

　　2.3 单元排列材料减振特性分析

　　周期管路尺寸 长12m,每间隔一定距离套一个金属环｡导管A材 质为铝,导管B材质为钢,2种导管结构内径均为 1.20m｡导管A结构外径为1.23m,导管B结构外 径为1.25m｡为了更好地测试材料的稳定性,本文 将2种材料以不同的顺序来排列,从而测试其减振 性能与材料排列顺序是否有关｡

　　将周期管路的每一截管路按照钢⁃钢､钢⁃铝､铝⁃ 铝､铝⁃钢4种不同的结构类型去排列计算分析。

　　2.4 晶格尺寸对周期管路带隙的影响

　　研究不同晶格尺寸对于周期结构管路系统第一 带隙特性的起始频率及截止频率的影响规律,晶格 长度分别为1400､1200､1000､800､600mm。

　　3 结论

　　(1)周期管路系统的带隙特性与管路的周期性 结构密切相关｡

　　(2)管路带隙特性的存在使得周期管路系统能 够选择性地传播或屏蔽特定频率的波动或振动｡波 动或振动的频率位于带隙范围内时,将受到较大程 度的衰减,无法有效传播｡

　　(3)管路几何结构和材料影响周期管路系统的 带隙特性｡较大的管路尺寸和更复杂的几何形状会 导致较低的固有频率｡管路材料的刚度和密度等特 性会影响到系统的波速和声波传播特性,较大的刚 度和较小的密度会导致较高的传播速度,从而影响 管路系统的固有频率和带隙特性｡

　　(4)周期结构系统对于船舶管路系统的减振降 噪具有可行性｡

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