摘 要:以船舶管路系統(tǒng)為研究對象,分析其減振特性?基于周期結(jié)構(gòu)理論,建立能帶結(jié)構(gòu)及振動傳遞特性的計 算方法,研究周期管路系統(tǒng)的減振性能,探討結(jié)構(gòu)參數(shù)對減振性能的影響規(guī)律,并采用有限元法對船舶周期管路 系統(tǒng)的減振性能進行仿真分析?研究結(jié)果表明:周期管路系統(tǒng)在全頻段內(nèi)減振性能顯著提升,在0~600Hz頻 段減振性能提高4.7dB?

　　關(guān)鍵詞:船舶管理系統(tǒng);周期結(jié)構(gòu);減振降噪;帶隙特性

　　論文《基于周期結(jié)構(gòu)的船舶管路系統(tǒng)減振性能研究》發(fā)表在《江蘇船舶》，版權(quán)歸《江蘇船舶》所有。本文來自網(wǎng)絡(luò)平臺，僅供參考。

　　引言

　　船舶動力設(shè)備產(chǎn)生的振動通過基座及管路系統(tǒng) 傳遞到船體,并向水下輻射噪聲,嚴重影響其隱身性 能?隨著船舶動力設(shè)備噪聲和螺旋槳噪聲得到 有效控制,管路系統(tǒng)傳遞的噪聲成為船舶水下聲輻 射的主要來源?因此,開展管路系統(tǒng)減振降噪新 技術(shù)研究至關(guān)重要?

　　隨著探測設(shè)備性能的不斷提升,船舶對隱身性 能的要求越來越高?高強度的噪聲不僅危害船 員健康,還會降低船舶的動力性能?對船舶動力 設(shè)備的減振,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的仿真和試驗 研究,也取得了一系列的研究成果?本文以周期 結(jié)構(gòu)特性下的船舶管路系統(tǒng)為研究對象,基于周期 結(jié)構(gòu)對管路系統(tǒng)進行低頻減振設(shè)計,并對周期導(dǎo)管 的帶隙特性進行研究?

　　1 周期管路減振基本理論

　　周期管路減振理論基于周期性結(jié)構(gòu)能夠表現(xiàn)出 對彈性波的衰減域特性,為周期結(jié)構(gòu)帶隙特性?彈 性波在周期管路結(jié)構(gòu)中傳播時,會受到彈性特性和 密度的影響?利用帶隙特性可以對振動傳遞實現(xiàn)抑 制效果,周期管路的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1?

　　假設(shè)忽略橡膠材料本身結(jié)構(gòu)阻尼影響,局域振 子結(jié)構(gòu)可以簡化為“K?質(zhì)量”模型?進一步地,局域 共振周期管路可以被簡化為一個K?振子周期分布 的梁結(jié)構(gòu),其等效簡化模型見圖2?其中,彈簧代表 材料的彈性,質(zhì)量代表振動質(zhì)點的慣性,梁結(jié)構(gòu)則反 映了振動周期的分布情況?

　　假設(shè):周期管路結(jié)構(gòu)為無限長周期結(jié)構(gòu);周期管 路內(nèi)為理想且不可壓縮流體,液體在流動時不會產(chǎn) 生氣泡;周期管路為各向同性和均勻線性?在上述 假設(shè)條件下,周期管路結(jié)構(gòu)的彎曲振動方程為

　　[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 為周期管路的楊氏模量 I 為周期結(jié)構(gòu)橫截 面轉(zhuǎn)動慣量; (m_{f}) 為周期管路系統(tǒng)中單位長度液體的 質(zhì)量: (m_{P}) 為單位長度管路的質(zhì)量 u t分別為液體在 周期管路中的流速和時間?

　　2 周期管路系統(tǒng)減振性能研究

　　2.1 周期管路模態(tài)分析

　　周期管路系統(tǒng)主要由周期管路單元組成,管路 內(nèi)的空間通過三維單元進行劃分?然后基于周期管 路系統(tǒng)的邊界條件,得到周期管路結(jié)構(gòu)的帶隙?起 始頻率和截止頻率對帶隙特性有著重要的影響,應(yīng) 當使得帶隙的起始頻率盡可能降低,同時相應(yīng)的提 升帶隙特性的截止頻率,在降低低頻振動設(shè)計中尤 為重要?先將周期管路系統(tǒng)劃分為多個子系統(tǒng),每 個子系統(tǒng)得到一個傳遞矩陣,進而獲得整個周期管 路系統(tǒng)的狀態(tài)傳遞矩陣?再將管路設(shè)計成周期結(jié) 構(gòu),進而分析周期管路系統(tǒng)的帶隙特性?

　　周期管路的局域振子模型結(jié)構(gòu)由橡膠環(huán)和金屬 環(huán)組成,該結(jié)構(gòu)可以等效為彈簧?質(zhì)量單元模型?橡 膠環(huán)與金屬外環(huán)過盈配合,并用螺栓連接2個半圓 形的金屬外環(huán)?周期管路管長為12m,局域振子間 距為1.5m。為了拆卸方便,金屬外環(huán)可以分開,為了驗證管路系統(tǒng)的帶隙融合效應(yīng),8個局域 振子分為2種尺寸類型,每種各4個,交替排列在管 路上,2個相鄰的振子相距為0.8m。

　　由表可知,結(jié)構(gòu)最小共振頻率為40.7Hz?在 施加外部載荷時,應(yīng)盡可能避開周期結(jié)構(gòu)的固有頻 率,確保結(jié)構(gòu)安全?

　　2.2 單元排列長度減振性能分析

　　周期管路在大型船舶中起著重要的減振降噪作 用,大量應(yīng)用于船體的燃油系統(tǒng)?潤滑系統(tǒng)?冷卻系 統(tǒng)等?不同的材料排列順序?qū)?dǎo)管減振性能的影響 也不同,因此測試不同材料對導(dǎo)管減振性能影響,對 于大型船舶的減振參數(shù)研究十分重要?

　　2.3 單元排列材料減振特性分析

　　周期管路尺寸 長12m,每間隔一定距離套一個金屬環(huán)?導(dǎo)管A材 質(zhì)為鋁,導(dǎo)管B材質(zhì)為鋼,2種導(dǎo)管結(jié)構(gòu)內(nèi)徑均為 1.20m?導(dǎo)管A結(jié)構(gòu)外徑為1.23m,導(dǎo)管B結(jié)構(gòu)外 徑為1.25m?為了更好地測試材料的穩(wěn)定性,本文 將2種材料以不同的順序來排列,從而測試其減振 性能與材料排列順序是否有關(guān)?

　　將周期管路的每一截管路按照鋼?鋼?鋼?鋁?鋁? 鋁?鋁?鋼4種不同的結(jié)構(gòu)類型去排列計算分析。

　　2.4 晶格尺寸對周期管路帶隙的影響

　　研究不同晶格尺寸對于周期結(jié)構(gòu)管路系統(tǒng)第一 帶隙特性的起始頻率及截止頻率的影響規(guī)律,晶格 長度分別為1400?1200?1000?800?600mm。

　　3 結(jié)論

　　(1)周期管路系統(tǒng)的帶隙特性與管路的周期性 結(jié)構(gòu)密切相關(guān)?

　　(2)管路帶隙特性的存在使得周期管路系統(tǒng)能 夠選擇性地傳播或屏蔽特定頻率的波動或振動?波 動或振動的頻率位于帶隙范圍內(nèi)時,將受到較大程 度的衰減,無法有效傳播?

　　(3)管路幾何結(jié)構(gòu)和材料影響周期管路系統(tǒng)的 帶隙特性?較大的管路尺寸和更復(fù)雜的幾何形狀會 導(dǎo)致較低的固有頻率?管路材料的剛度和密度等特 性會影響到系統(tǒng)的波速和聲波傳播特性,較大的剛 度和較小的密度會導(dǎo)致較高的傳播速度,從而影響 管路系統(tǒng)的固有頻率和帶隙特性?

　　(4)周期結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對于船舶管路系統(tǒng)的減振降 噪具有可行性?

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