基于夹层板的浮筏隔振系统有限元分析

赵留平

中国舰船研究设计中心军事代表室，湖北武汉 430064

基于夹层板的浮筏隔振系统有限元分析

赵留平

中国舰船研究设计中心军事代表室，湖北武汉 430064

针对船用浮筏隔振系统，采用有限元分析法，建立平板式和夹层板式两种筏架结构的浮筏隔振系统的有限元分析模型，并估算两种浮筏隔振系统的隔振效果。计算结果表明，夹层板式浮筏隔振系统具有较好的隔振效果，在相同重量的情况下隔振量比平板式浮筏高出3～4 dB，为新型筏架结构的研究提供了思路。

夹层板；浮筏；隔振；有限元

1 引 言

浮筏装置是一个具有多机组、多个激励源、多向隔振的多层隔振系统。浮筏为一种特殊的多层隔振系统，通过隔振系统内部各部件之间的“动力调谐”作用达到减振降噪目的。影响隔振效果的因素众多，而各因素又相互影响，因此对浮筏的研究就显得相对复杂。国内外近些年在浮筏系统研究方面做了很多的工作［1-3］。 我国在“八五”期间，主要围绕平置式浮筏系统的动力学建模和系统动力特性进行分析，形成了多种建模方法［4-6］，如多体动力学方法、有限元方法和四端参数法等。“九五”期间，研究了浮筏的响应特性计算的方法、隔振效果的评估、灵敏度分析方法的应用以及功率流方法等问题［7-8］。随着研究的不断深入，隔振器的等效方法、筏架的结构形式、设备的布置、阻尼材料应用、基座非刚性等问题也凸显出来。

夹层板结构是一种由面板层和中间芯层组成的复合结构。面板层通常采用金属（不锈钢、铝）、复合材料层板、硬塑料等；夹芯可以用泡沫塑料、波纹金属薄片、铝或不锈钢薄片等制成。这种结构具有重量轻、强度高、刚性大的特点。如能将夹层板结构引入浮筏隔振系统中筏架的设计，有可能利用这种特点在较小的质量代价下取得较好的阻抗失配，从而提高浮筏隔振效果。

本文利用有限元分析软件Nastran对采用夹层板筏架的浮筏系统进行数值仿真，并与传统平板式浮筏隔振系统的隔振性能进行了比较分析。

2 夹层板结构特性

一个典型的对称夹层结构由两块相同的薄面板夹着一轻质量的中间层组成（图1）。

图1 典型夹层板结构

夹层结构的刚度特性可由图2列出的3种同材质不同横断面夹层板的抗弯刚度的比较予以说明，其中t为匀质平板的厚度，2t和4t则为夹层板总厚度。如果单一材质结构在横断面处一分为二，并在中间加入轻质量的中间层，其抗弯刚度会得到显著增加，这种现象一般被称为“三明治效应”，这是夹层结构的主要优点之一。

令夹层板的总厚度为2H，面板厚度为d，泊松比为μ，则夹层板弯曲刚度为：

图2 不同横断面夹层板结构的弯曲刚度比较

3 筏架形式

为了探讨新筏架的性能，本文设计了两种筏架进行对比分析，如图3所示。平板式筏架长1.1 m，宽 0.8m，高 0.14m；夹层板式筏架长 1.1m，宽0.8m，高 0.1 m。

4 数值算例

所设计的浮筏隔振系统由设备（设备1重60 kg，设备2重80 kg）、上层隔振器（8个BE15型隔振器）、筏架、下层隔振器（6个BE85型隔振器）和基座组成。模拟基座面板厚10mm，采用4个螺栓将基座进行固定。其有限元分析模型见图4。筏架采用抽取中面法将其转化成二维问题，机器采用点质量进行模拟（只考虑重量），设备与隔振器之间采用MSC Nastran提供的MPC（多点约束）进行连接。所有隔振器均采用Bush单元进行模拟，试验数据的转换见文献［2］。

图3 平板式和夹层板式筏架

平板式筏架上部和下部面板厚8mm，下部面板有4个257 mm×396 mm的开口，肋板厚6 mm，筏架重 118.1 kg。

为了比较夹层板的面板和夹芯层对隔振效果的影响，夹层板筏架建立了3个模型，3个模型形式相同，只是面板和夹芯面板厚度不同。模型1：面板厚4 mm，夹芯面板厚4 mm，筏架重103.1 k g；模型2：面板厚5 mm，夹芯面板厚4 mm，筏架重 117.9 k g；模型 3：面板厚 5 mm，夹芯面板厚 5 mm，筏架重 132.6 k g。

图4 两种浮筏隔振系统

图5为针对模型2采用普通钢板与采用夹层结构的两种筏架的模态对比图。夹层板筏架第一阶为整体扭转振型，第二阶为整体弯曲振型，第三阶为局部振型；平板式筏架第一阶为整体扭转振型，第二和第三阶为局部振型。

图5 平板式和夹层板式筏架模态

表1为两种筏架前10阶固有频率对比（非刚体模态）。从表中可以发现：两种筏架的质量基本相同，但是夹层板式筏架的刚度明显要强于平板式筏架。模态计算结果显示1 000 Hz内非刚体模态平板筏架有42阶而夹层板式筏架 （模型2）只有21阶。

表1 前10阶固有频率对比

采用振级落差的方式来估算浮筏的隔振效果，振级落差中需要的参数为加速度。图6为平板式浮筏与夹层板式浮筏隔振效果的比较，从图6中可以发现，夹层板式浮筏的隔振效果要优于平板式，在质量相同时，夹层板式浮筏的隔振效果比平板式要多3～4 dB，特别是在250～600 Hz的频率内。在该频率段平板筏架有近30阶模态，而且比较集中，而夹层板式筏架只有两阶模态，其中340 Hz、410 Hz和510 Hz附近平板式浮筏隔振效果显著下降，原因是这几阶频率附近筏架和基座产生共振。

图6 振级落差对比

表1可以说明依次增加夹层板面板和夹芯的厚度可以显著增加夹层板的刚度，从图6可以发现，增加夹层板的刚度可提高隔振效果，充分利用夹层板结构的高刚度质量比，可以在与平板式浮筏隔振效果相当的情况下，显著减少浮筏的质量。

其中40 Hz为浮筏隔振系统的安装频率，180 Hz、200 Hz、340 Hz、410 Hz和 510 Hz为基座的固有频率，该基座设计偏软，但不影响隔振效果的比较。从振级落差曲线中可以发现，浮筏隔振系统在中高频段具有较好的隔振效果，夹层式筏架也摆脱不了低频隔振效果较差的问题。低频隔振效果主要由上、下两层隔振器的刚度决定，夹层式浮筏隔振系统的设计需要在综合考虑浮筏隔振系统特性的基础上进一步优化低频段的隔振效果。

5 结 论

本文讨论了夹层板式浮筏系统的隔振效果，计算结果显示夹层式筏架具有较好的隔振效果，通过数值模拟计算可得出如下结论：

1）在浮筏设计的过程中，要根据机械设备的基本参数和激励特性，在满足额定载荷的情况下合理配置上下层隔振器刚度，使得系统的固有频率避开设备激励频率。

2）基座的振动特性对浮筏隔振效果的影响较大，在基座的设计过程中需要特别考虑，还应避免与筏架的固有频率重合。

3）需要通过试验进一步验证本文结论，需要对夹层板式筏架的结构形式和参数作进一步的研究，并结合平板式和框架式筏架结构特点，探讨隔振性能更优的筏架结构形式。

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Finite Element Analysis of Floating Raft Isolation System Based on Sandw ich Plate

Zhao Liu-ping
Military Representative Office in China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China

For themarine vibration isolating system，finite elementmodels of plane and sandwich plate floating raft systems were set up in this paper，the v ibration l evel difference was applied tomeasure the effect of vibration isolati on.Compar ed with plane floating raft， the calculation of sandwich plate floating raft show a superior behavior that the v ibration l evel difference is 3～4 dB higher under the conditions of equalweight.The resultswill provide a reference to the research of new floating raft structural forms.

sandwich plate； floating raft； vibration isolation； finite elementmethod

TB535

A

1673-3185（2010）03-43-04

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.03.010

2009-03-08

赵留平（1969- ） ，男，硕士，工程师。 研究方向：船舶减振降噪。 E-mail：milinavy＠yahoo.com.cn。