水面舰船复合双层底结构隔振特性分析

朱成雷，魏 强，郑超凡，翁章卓

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

水面舰船复合双层底结构隔振特性分析

朱成雷，魏 强，郑超凡，翁章卓

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

为了提高水面舰船的声隐身性能，对典型的双层底结构进行了剖析和研究。由于“┻┳”形连接结构在大部分频率处的透射效率较小，同时偏心阻振质量块对振动波有较好的阻隔效果。因而，在双层底的纵桁和肋板上构造“┻┳”形连接结构和添加不同偏心距和重量的阻振质量块，形成复合的双层底结构。采用FEM法对改进前后的双层底结构的振动特性进行数值仿真计算。结果表明：在双层底内部构造“┻┳”形连接结构使结构发生突变，从而导致结构阻抗也随之发生变化，产生阻抗失配，这样在部分频段就能有效的阻断振动波的传递，而且阻振质量的偏心布置和增大阻振质量也都会在一定程度上提高隔振效果。使之复合双层底结构的声隐身性能有可能得以改善。

振动与波；双层底结构；阻振质量；声隐身

水面舰船主机、辅机等众多机械设备在摩擦、冲击等力的作用下产生的结构振动，主要通过基座—艇体—流场的传递途径以弹性波的方式向外传递。纵骨架式双层底结构是现代水面舰船典型结构形式之一，其中肋板和纵桁是连接内底板和船底板的主要构件，由于这两种构件的存在，设备激励经由内底板向船底板传递时将在双层底内部形成混合波的反射、透射和波形转换。而机械设备振动传递到外部壳体上的振动量级在很大程度上决定了低频噪声水平，因此双层底结构对于水面舰船的振动和水下声辐射有着重要的影响。

目前对潜艇的双层壳间的托板的减振特性有了一定的研究，文献[1]研究讨论了壳间连接形式变化对双层圆柱壳的声辐射性能影响，得到壳间连接越紧密，其辐射声功率越高。文献[2]在双壳舷间结构声传递途径试验分析基础上，提出了阻振质量复合托板结构，验证了阻振质量复合托板的有效性。阻振方钢作为一种有效阻隔振动的结构已经广泛应用在船舶结构上。文献[3—5]基于波动理论探讨了阻振质量对典型船体连接结构中振动波传递的阻抑特性，讨论了阻振质量偏心布置对其隔振性能的影响。文献[6-—8]利用有限元软件检验了阻振方钢的隔振效果，并分析了其结构参数对隔振效果的影响。在此基础上，本文应用阻抗失配和波型转换原理进行水面舰船双层底结构的隔振设计。在双层底振动噪声的传递途径中，构造降低振动波传递的“┻┳”结构和使阻抗失配的阻振质量块，以阻断振动噪声的传递，形成复合双层底结构，并用数值仿真方法检验了复合双层底刚性隔振设计的有效性。

1 振动控制理论

1.1 船体典型连接结构波动特性

在将“┏┛”形连接结构、“╋”形连接结构、“┻┳”形连接结构、“┻”形连接结构和“┛”形连接结构这几种典型连接结构中弯曲波—弯曲波透射效率进行计算后发现：当构成连接结构的材料和各板板厚都相同时，不同的连接结构其透射效率相差很大，其中以“┏┛”形连接结构透射效率最大。同时，“┻┳”形连接结构在大部分频率处都要小于“╋”形连接结构的透射效率，只有在部分频率处偏大。所以采用“┻┳”形连接结构和“╋”形连接结构能大大降低结构振动波的传递，从而降低结构的振动[9]。

1.2 阻振质量阻波特性

作为一种可以有效阻隔结构声传递的结构形式，阻振质量在水面舰船舱壁、基座等结构中得到了广泛的应用。如果可以在充分了解水面舰船双层底和其上的基座的振动传递分析基础上，将阻振质量应用于水面舰船双层底的肋板和纵桁中，形成结构阻抗失配，那么这对水面舰船的双层底的减振降噪具有重要的工程应用价值。

图1 五种典型连接结构示意图

图2 阻振质量示意图

对于一个无限长的阻振质量块布置在无限大的板上，假设有一平面弯曲波从板的左侧以角度φ入射阻振质量。板的边界不存在波的反射，那么根据板和阻振质量的耦合边界条件等可以得到其透射系数

其中rm为阻振质量的横截面惯性半径；kbm为弯曲振动波数；ktm为扭转振动波数；ρp为板单位面积的质量。

采用隔振度来衡量阻振质量对结构声的阻抑作用，隔振度越大，抑制作用越强。隔振度公式为

式中φ为透射系数的平均值

图3 阻振质量隔振度随频率变化曲线

图3所示为阻振质量隔振度随频率变化曲线。在全透射频率以前，阻振质量对弯曲波几乎没有隔离作用；在全透射频率之后，阻振质量对振动噪声的隔离效果越来越好，激励频率到达全阻隔频率时，阻振质量的隔振效果达到最好。

图4 偏心阻振质量示意图

进一步对偏心布置的阻振质量块的隔振度进行研究可以发现，阻振质量的偏心布置显著提高了负值低谷频率以外全频段的隔振性能。由此，既改善了中低频隔振性能、拓宽了阻振质量的工作频率，同时又提高了高频最大隔声量的幅值。并且随着阻振质量块偏心距的增大，阻振质量对弯曲波的阻抑效果增强。因此，在满足艇体结构强度及装配工艺的前提下，建议偏心布置阻振质量块。

2 复合双层底结构仿真分析

虽然目前通过理论解析的方法来分析简单结构中振动波的传递非常准确，但是在对稍微复杂一些的结构分析振动波的多向传播时，就会变得非常困难。因此，在工程实际中一般采用数值仿真的方法来分析复杂结构的振动特性。本文采用有限元法研究中低频段在水面舰船双层底中构造“┻┳”结构和阻振质量块的振动特性。

水面舰船的双层底结构是由内底板、外底板、肋板、底纵桁、内底纵骨和船底纵骨组成。内底板和外底板均有密集的纵骨支持，可以提高底部的纵向强度。内底板和外底板通过肋板和纵桁相连接。如图5所示。

图5 水面舰船双层底结构示意图

本舱段是在某舰的基础上经过简化而建立的。建立的船体舱段模型如图6所示，船体舱段长为13 m，船宽20.4 m，舱段高度为14.6 m，基座长为1.3 m，宽为1.8 m，舱段左右对称，各有一个基座。舱段共有三层甲板和双层底组成，甲板、双层底和船体舷侧均有肋骨和加强筋增加刚度和强度。其中甲板、舷侧和双层底由SHELL 63单元模拟，肋骨和桁架由BEAM 188单元模拟。船舶结构在进行有限元网格划分时，其内部结构（包括肋板、肘板、加强筋等）以及船体外表面均采用每个波长范围有5个节点(4个单元)的网格划分的原则。但是，为保证数据精确，在计算机计算能力允许的范围内尽量细化网格，提高网格质量。钢板中纵波波速为5 439.28 m/s，模型中最小板厚h=8 mm，计算频率上限为400 Hz时，板中的弯曲波波长为0.447 m，要求单元尺寸最大为0.112 m，本文的网格大小最大为0.1 m，满足上述要求。

图6 舱段结构模型

钢为各向同性材料，参数为：杨氏模量E=2.1× 1011Pa，泊松比γ=0.3，密度ρ=7 860 kg/m3，损耗因子η=0.02。

2.1 复合纵桁结构振动特性研究

采用上述舱段模型，通过改变双层底的肋板和纵桁的形式，基于数值方法开展“┻┳”结构对舱段振动特性的影响研究。针对双层底中的纵桁上的球扁钢的布置形式进行了改变，将其改为“┻┳”形结构（如图7所示）。

图7 两种不同形式的纵桁加筋示意图

加载过程中，舱段两端固支，激励力为基座面板上0～400 Hz的单位力，采用直接计算法计算得到每个频率处激励点、基座底部评价点和壳体上63个评价点的速度、加速度。

对于单位力作用下的舱段上的评价点，取1.0×10-18m2/s2为速度平方的参考值，按式(1)计算得到单位力作用下的舱段均方速度级（dB）

对于单位力作用下的舱段上的评价点，取1.0×10-12m2/s2为加速度平方参考值，按式(2)计算得到单位力作用下舱段的振动加速度级（dB）

图8和图9为两种不同形式纵桁的双层底的外板均方速度级和外板加速度级对比图。由外板均方速度级对比图可以看出在反向布置加强筋后在100 Hz～200 Hz之间外板的均方速度级有所下降，平均下降了4 dB，但是200 Hz～380 Hz以后有不同程度的上升。这说明“┻┳”结构对本水面舰船舱段在100 Hz～200 Hz具有较明显的阻隔振动波的效果。可能是因为在此频率段内，振动波与全部二次反射振动波的相位相反，从而使得振动波的传递效率出现了极小值，而在其它频段两次振动波可能相位相同，出现了极大值，导致振动效果增加。而外板的振动加速度级整体没有太大的变化，在100 Hz～200 Hz之间有所下降，但也是在200 Hz以后有所上升。对于有限长板结构，由于存在结构突变，因此振动波发生了反射，使得振动能量在结构的某些部位富集，而改变结构的连接形式后，虽然使得部分频率处的振动反而偏大，但由于“┻┳”形连接结构相对于部分其他类型的结构能有效阻隔振动波的传递，因此整体上来看，“┻┳”形连接结构是可以降低振动的。

图8 外板均方速度级对比图

图9 外板加速度级对比图

在进行上述分析之后，又设计了添加阻振质量块的纵桁结构模型。阻振质量块不同于一般的加强筋，加强筋相当于在板上添加了一个连续的线激励，而阻振质量是一个大而重的块状物体，其截面一般为矩形、圆柱形和正方形，可以沿着振动波的传递途径布置在板上，用来隔离结构声的传递。由于阻振质量块偏心布置可以提高部分频段的隔声量[10]；因此，建立的四种模型阻振质量块全部为偏心布置。图10为将双层底纵桁上的加强筋换成四种不同的阻振质量块后的示意图。1号为添加同向的阻振质量块的纵桁，2号为添加反向阻振质量块的纵桁，3号为添加同向一半的阻振质量块的纵桁，4号为添加反向一半的阻振质量块的纵桁。

图10 添加四种阻振质量块的纵桁

针对以上四种双层底的模型，分别进行数值仿真计算。舱段两端固支，激励力为基座面板上0～400 Hz的单位力，采用直接计算法得到每个频率处激励点、基座底部评价点和壳体上63个评价点的速度、加速度。然后将所得到的数据进行处理，得到外板的平均速度和加速度。图11和图12分别为四种阻振质量块的外板加速度级和均方速度级。

由图11和图12可以看出，整体上添加阻振质量块后的曲线变化趋势基本一致，在某些频段降低了振动效果，所不同的是共振峰的数量和幅值也有所变化。在40 Hz～90 Hz以及300 Hz～400 Hz频段内，前两种都比原舱段有所降低，而后两种布置方式在某些峰谷频率处，外板加速度级有0～5 dB的降低。另外，整体上来看，前两种方案比后两种方案较好，原因是前两种的偏心距较大，阻振效果明显。

图11 四种阻振质量块的舱段外板加速度级对比图

图12 四种阻振质量块的舱段外板均方速度级对比图

2.2 复合肋板结构振动特性研究

针对双层底内横向布置的肋板，利用在振动波的传递途径上设置结构来阻隔振动波的传递，提出了两种方案，一种为在肋板中间加横向的加强筋，另外一种将横向的加强筋替换成阻振质量块。如图13所示。

图13 两种肋板

第一种方案又分别采用3种型号的球扁钢来研究其对舱段振动特性的影响。采用数值仿真来计算得到舱段外板的振动均方速度级和外板加速度级。

图14和图15分别为第一种方案的三种球扁钢加强筋的外板均方速度级和加速度级对比图。可以看出曲线基本没有大的变化，只是在个别频率处有所不同，12号球扁钢加强筋在250 Hz～350 Hz内有0～1.5 dB的降低，是因为球扁钢类似于阻振质量块，大型号的球扁钢偏心距较大且质量较大，而增大质量和增大偏心距可以有更好的隔振效果。

图14 三种球扁钢的外板均方速度级对比图

图15 三种球扁钢的外板加速度级对比图

图16和图17是将两种方案与原舱段进行对比的外板加速度级与均方速度级对比图。整体上来看外板的加速度级变化不大，但是在0～200 Hz的峰值频率处，加筋和加阻振质量块使峰值有一定的上升或下降，也就是使共振处的幅值增大。对于图17，在曲线的第一个共振峰处，加筋和加阻振质量块都使曲线峰值增加了8 dB，其它的共振频率都有所移动，可能是在原舱段基础上增加了新的结构，使结构特性发生改变，导致最大速度的发生频率变化。加阻振质量块在100 Hz～170 Hz之间外板均方速度级有所降低，而加筋方案却有一定的增加。但是在240 Hz以后加筋方案的外板均方速度级有所降低。说明加筋和增加阻振质量对于阻隔振动波的传递在特定的频段具有一定的效果，在低频段，阻振质量块的减振效果不理想。

3 结语

本文应用阻抗失配和波型转换原理进行水面舰船双层底结构的隔振设计。在双层底振动噪声的传递途径中，构造降低振动波传递的“┻┳”结构和添加使阻抗失配的阻振质量块，以阻断振动噪声的传递。使用数值仿真方法计算了隔振设计前后舱段结构的振动性能，结果表明：在双层底内部构造“┻┳”形连接结构使结构发生突变，从而导致结构阻抗也随之发生变化，从而产生阻抗失配，这样在部分频段能有效的阻断振动波的传递，且阻振质量的偏心布置和增大阻振质量都会在一定程度上提高隔振效果。

图16 加筋与加阻振质量块的外板加速度级对比图

图17 加筋与加阻振质量块的外板加速度级对比图

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[3]姚熊亮，计方，钱德进.舰船阻振质量刚性隔振特性研究[J].中国舰船研究，2010，5(5)：15-21.

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Analysis of Vibration Isolation Characteristics for Composite Double-layer Infrastructures of Naval Vessels

ZHU Cheng-lei,WEIQiang,ZHENG Chao-fan,WENG Zhang-zhuo
(China’s Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China)

To improve the sound stealth performance of naval vessels,a typical double-layer infrastructure was studied for the vessels.The“┻┳”shaped linking structure,which has smaller wave refraction effect in a wide frequency range, was constructed in longerons and ribs of the double-layer infrastructure.The eccentric mass blocks,which have good vibration isolation effects,were added to the infrastructure.The finite element method was used to simulate the vibration characteristics of the infrastructure.The results show that the“┻┳”shaped linking structure built in the double-layer infrastructure can increase the structural impedance greatly and yield impedance mismatch,so that the transmission rate of vibration can be reduced.And the eccentric blocking mass and gaining weight can improve the effect of the vibration isolation.Thus, it is verified that the double-layer infrastructure has good sound stealth performance for naval vessels.

vibration and wave;double-layer infrastructure;mass blocks;sound stealth performance

TB52；U661.44

：A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.003

1006-1355(2015)01-0012-06

2014－04－25

朱成雷(1989－)，男，河南南阳人，硕士研究生，主要研究方向为：舰船声隐身。E-mail:zhuchenglei@yeah.net

魏强，高级工程师、博士生导师。