船舶辅机浮筏隔振装置设计及动力学性能分析

船舶辅机浮筏隔振装置设计及动力学性能分析

董明达

理工造船（鄂州）股份有限公司（鄂州市 436035）

摘要：以三台卧式空压机组为例进行了船舶辅机浮筏隔振装置设计及隔振系统有限元模型的构建，并对浮筏隔振系统振动模态、振动传递率、隔振性能及抗冲击性能等在内的动力学性能进行了分析；将船舶辅机浮筏隔振装置有限元模型扩展至全船后进行了隔振装置装船耦合振动模态及实船隔振系统运行规律分析，并同时探讨了船舶结构振动对浮筏隔振系统隔振效果和抗冲击效果的影响。本文分析结果可为船舶辅机浮筏隔振装置设计及动力学性能的完善提供借鉴参考。

关键词：船舶辅机；浮筏隔振；设计；隔振性能

0 引言

诸如扫雷舰、海洋测量船、豪华游轮、渔船等对声学环境有较高要求的船舶必须进行主辅机浮筏隔振设计，以阻隔机械设备振动向船体传递，达到减小和抑制船舶动力设备噪声及水下辐射噪声的目的。国外较早便开始研究船舶浮筏隔振技术，无论是理论成果还是实践经验均较为成熟，而我国对船舶浮筏隔振装置的研究起步较晚，再加上当前设计规范及验收标准等并不完善，对船舶浮筏隔振装置设计及性能评价也主要通过台架试验完成，缺乏实船测试数据。

1 空压机组浮筏隔振装置设计

以三台卧式空压机组为例进行船舶辅机浮筏减隔振设计，为达到全船供气的效果，使用1台质量240kg的大功率机组和2台质量分别为160kg的小功率机组，大功率机组位于中间位置，2台小功率机组对称布置。为减小船舶振动并阻隔水下噪声，取得较好的隔振降噪效果，浮筏隔震系统按照双层设计。中间筏体设计对于船舶空压机浮筏隔振系统至关重要，筏体必须具备一定的刚度和质量，以快速降低隔振传递速率^[1]。考虑到船舶设计过程中通常避免无效荷载过大，保证筏体结构合理性的基础上，质量比较小的浮筏隔振反而能取得较好效果，即保持空压机浮筏整体尺寸不变，在筏体面板开孔以减小其质量。为保证空压机浮筏结构设计的合理性，还应计算其振动模态，选择刚性大、频率高的设计方案。本研究最终所确定的平板式空压机浮筏由数块10mm厚钢板焊接而成，其横向肋板长0.9m、宽0.1m，跨度0.6m；纵向肋板长2.0m、宽0.1m；筏体面板圆孔孔径分为0.3m和0.4m两种；空压机浮筏总长2.0m，宽0.9m，高0.1m，质量为385kg。

隔振参数主要根据船舶空压机组扰动频率特性进行确定，根据本文所建立模型机组的实测振动频谱，x向、y向和z向的振动水平十分接近，且振动成分最强的位置均位于25Hz。根据相关规范，扰动频率应至少为固有频率的1.41倍，再考虑到弥补外部管道连接所需附加刚度等方面的要求，船舶空压机组浮筏隔振固有频率最低阶应在12~15Hz区间取值，才能保证船舶空压机组运行稳定的基础上兼顾隔振效果。

通过以上分析初步确定出船舶空压机组浮筏隔振方案，即通过6个隔振器支承单台空压机组，并采用10个隔振器支承看空压机组浮筏筏体；中间机组、两侧机组和筏体下层分别选用高度60mm、50mm和85mm的BE-85型、BE-60型及ST-60型支承用隔振器。

通过ANSYS有限元软件进行船舶空压机组浮筏减隔振系统建模，空压机通过SOLID45按三维实体单元处理，并在质量和尺寸保持比变的基础上简化；浮筏筏体和基座通过SHELL63按板单元处理；隔振器则分别通过不同的COMBIN14模块按照弹簧单元处理。船舶空压机组浮筏隔振装置系统模型共由3682个单元及1807个节点构成；船体则由4000个单元和3988个节点组成。

2 动力学性能分析

2.1 船舶辅机浮筏隔振系统振动模态

为验证船舶辅机浮筏隔振系统参数设计的合理性以及浮筏结构是否需要调整，必须进行台架工况下浮筏隔振系统振动模态计算，计算所得隔振系统前50阶固有频率中较为典型的若干阶整体振动模态具体见表1。根据固有频率结果，仅第4、5阶垂向刚体动态频率超出10Hz，其余各阶刚体模态频率均在10Hz以下，符合设计隔振要求。

表1 船舶辅机浮筏隔振系统固有频率

为掌握隔振系统对船体结构振动特性的影响，还应分析船体振动模态和装船情况下浮筏隔振系统振动模态。船体固有频率为3.2Hz（船体一扭）、10.3Hz（船体二扭）及10.8Hz（船体一弯）情况下，在船体安装浮筏隔振系统后船体固有频率变为3.3Hz（船体一扭）、10.5Hz（船体一弯）及11.1Hz（船体二扭）。船体振动模态对10Hz区域内低频振动隔离有一定影响，但与扰动空压机组的25Hz振频距离较远，整体影响较小，且船舶空压机组浮筏隔振装置设计方案基本可行，阀体质量也有继续下调的空间。为此还应进行振动传递规律、船舶空压机组浮筏隔振性能及抗冲击性能的进一步分析。

2.2 浮筏隔振装置隔振性能

将垂向简谐力分别施加在三台船舶空压机组质心位置，并将激励频率在0~500Hz区间内依次调整，读取所对应的振动位移量值，并根据读取结果分析空压机组振动向船体基座传递的具体程度和速度。根据振动传递率曲线，船舶空压机组浮筏隔振系统在50Hz以上高频段减隔振效果十分良好；浮筏筏体板材厚度减薄后阀体模态频率表现出降低趋势，而中高频振动传递率幅值则呈增大态势，不利于船舶振动稳定。

结合大量实践经验，船舶空压机组浮筏隔振系统在台架试验过程中一般表现出较好的减隔振效果，但因船体结构和设备基座为非刚性设计，陆上试验工况与船舶实际运营过程通常存在7~10dB的差异，装船后隔振效果明显下降，为此，必须进行船舶空压机组与船体耦合条件下振动传递特性的分析。为进行船舶空压机组浮筏隔振效果受船舶结构影响程度的量化分析，引入长46m，宽6.5m的整船船体结构简化模型^[2]。在船体后舱内安装空压机组浮筏隔振装置，并使其基座连接船体。所采用的激励方式与台架模拟激励相同，通过对船体基础位移响应进行测量得出空压机组浮筏隔振系统振动传递率曲线（见图1）。

图1 装船前后浮筏隔振系统频率响应程度比较

从装船前后浮筏隔振系统频率响应程度的比较可以看出，在10Hz的频率下，低频部分的振动传递率为正值，这其实是船舶浮筏隔振系统的固有频率；在船舶上安装浮筏隔振装置后，其振动传递率曲线上与船体结构振动模态相关的波峰较多，且随着振动频率的提升及动力设备和船体结构振动模态干扰程度的增大，高频段振动传递率不断出现波峰；船舶整体振动模态主要引起低频波峰，而船舶局部振动模态则引起中高频波峰；300Hz频率周围的强干扰主要由船舶和浮筏基座局部振动模态引起，该振动模态的存在拉低了船舶浮筏隔振系统整体隔振效果^[3]。

2.3 浮筏隔振装置抗冲击性能

对于某些特种船舶而言，其空压机组浮筏隔振系统设计还必须考虑水下冲击荷载的影响及抗冲击性能的提升。根据以上对台架条件及装船条件下浮筏隔振系统设计，进行了浮筏隔振系统模拟冲击条件下最大冲击加速度、最大位移等的响应校核。结果表明，浮筏隔振系统装船后对基础冲击的响应程度主要受冲击荷载特性、隔振系统性能、刚度参数以及船体振动模态、船舶结构冲击传递性能等的影响。

3 结论

综上所述，船舶空压机组浮筏隔振系统设计主要包括筏体结构设计及隔振参数确定等方面，在筏体结构设计时必须保证隔振效果与抗冲击性能的协调性，还应优化设计筏体结构并调节浮筏筏体质量与隔振量，在确保隔振效果的基础上降低筏体结构重量。浮筏隔振装置装船后船体结构振动模态对隔振效果的影响较大，其中船体结构振动模态主要影响低频段隔振效率，而基座刚度及阻抗主要影响中高频段隔振效率，为此，必须增强浮筏基座及船体结构的整体刚度。总之，结构刚度、船舶空压机组组数、浮筏装置、筏体结构、基座结构及阻尼、机组运行工况等在浮筏隔振装置抗冲击性能设计方面的影响程度不尽相同，为提升船舶辅机浮筏隔振装置隔振及抗冲击效果，必须从船舶整体角度出发综合考虑各环节声学特性，不断优化装置结构设计。

参考文献：

[1]方媛媛,夏兆旺,Waters T P,左言言.船舶辅机浮筏半主动非线性隔振系统振动特性分析[J].船舶力学,2019,23(05):583-590.

[2]曹博.同型号浮筏隔振器刚度差异与排列顺序对隔振效果的影响[J].工业技术创新,2021,08(02):100-105.

[3]李洪亮,巴海涛.船舶轮机振动噪声控制分析[J].船舶物资与市场,2019(12):33-34.