一种浮筏隔振装置筏架结构有效机械阻抗的确定方法

摘要

本发明涉及一种浮筏隔振装置筏架结构有效机械阻抗的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：分析获取筏架结构的初始计算参数；计算筏架的第一阶共振频率；计算筏架的等效质量；计算每台设备振动输入位置处筏架有效机械阻抗。该发明提出的方法在方案设计阶段筏架结构没有设计定型的情况下，依据筏架结构的初始设计参数和无需建模分析，就可定量快速评估计算得到筏架有效机械阻抗；本发明为浮筏结构的后续详细设计提供设计依据，指导结构设计中更具科学性和严谨性；本发明方法设计流程清晰、操作明确，工程实用价值大，依据此方法可设计浮筏动力学特性图谱在工程中推广应用，可大幅提高整个结构和声学设计的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶减振降噪技术领域，尤其是一种浮筏隔振装置筏架结构有效机械阻抗的确定方法。

背景技术

浮筏隔振装置是船舶上机械设备及机组隔振设计的重要措施和水下辐射噪声控制的有效手段，而安装机械设备的筏架结构是整个浮筏系统的关键组成部分。在浮筏筏架结构设计中，有效机械阻抗是一项非常重要的设计参数。筏架有效机械阻抗直接影响着浮筏装置的隔振效果，从而也影响着整体系统的振动噪声水平。目前船舶上应用浮筏隔振装置的减振降噪效果不一，主要是因为对筏架阻抗等动力学特性没有完全掌握的前提下就进行结构详细设计，因此需要在方案阶段就需要对筏架阻抗进行定量设计。若筏架有效机械阻抗参数初期就设计不合理，则后期结构定型设备安装后振动通过隔振装置后的传递和分配将变得不合理，因此将可能存在基座结构振动过大和水下辐射噪声超标等严重问题。

现有技术中，浮筏隔振装置分析方法中筏架结构的设计，或者在多体动力学分析中被作为刚体处理而忽略其弹性特征，或者被作为弹性体进行数值建模分析，因此在方案设计阶段筏架结构还没有完全定型时其有效机械阻抗往往无法准确获得。如果方案阶段筏架有效机械阻抗设计不合理而很可能会出现隔振效果不明显的现象，则需要后期不断修改详细设计阶段的图纸后进行迭代计算或者对筏架结构进行局部加强改造，而最终得到满足技术要求的设计型式。这样整个设计过程需要不断修改模型和分析计算，耗费较大的人力物力，同时导致设计周期加长，设计方法也没有较强的针对性和前瞻性。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种浮筏隔振装置筏架结构有效机械阻抗的确定方法，从而在方案设计阶段筏架具体结构还没完全明确时，依据筏架结构的初始设计参数，通过计算筏架共振频率和等效质量后由工程公式计算得到有效机械阻抗。此确定方法省去结构建模过程，达到快速评估计算有效机械阻抗的目的。

本发明所采用的技术方案如下：

一种浮筏隔振装置筏架结构有效机械阻抗的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：分析获取筏架结构的初始计算参数；

第二步：计算筏架的第一阶共振频率；

第三步：计算筏架的等效质量

第四步：计算每台设备振动输入位置处筏架有效机械阻抗。

其进一步技术方案在于：

第一步中，初始计算数据包括：筏架质量，几何尺寸(筏架长、宽、高，面板尺寸，加强筋尺寸及间距)，机械设备安装位置，设备隔振器数量；

第二步中，首先计算筏架等效为梁的第一阶弯曲共振频率，如式(a)所示：

式中，M_r——筏架质量(包含刚性安装在筏架上的设备质量)；

l_r——筏架长度；α＝3.57(通常条件下的筏架长宽比)；

I_min——筏架垂直长度方向横剖面最小惯性矩；

E——筏架材料杨氏模量；

然后计算筏架等效为平板的第一阶固有频率，如式(b)所示：

f_rH＝0.6hc(1/b²+1/l²)(b)

式中，c—筏架材料纵波波速，h—筏架支撑面板厚度，b—浮筏支撑面板宽度，l—筏架相邻横肋距离；

步骤三，计算筏架的等效质量；

第一阶弯曲共振频率筏架等效质量(模态质量)按式(c)计算：

M_e＝0.7M_r>

每台设备下筏架等效质量按式(d)计算：

式中，x_i,y_i—第i台设备在筏架平面内的投影坐标；

步骤四，计算每台设备振动输入位置处筏架有效机械阻抗；

有效机械阻抗⁰Z_r使用对数形式Z表示：

在频率f-阻抗Z坐标系中确定各频段有效阻抗值：分别以⁰Z_r＝ωM_ei、⁰Z_r＝ωM_e确定直线AE、BF；按式(a)、分别确定直线CD起始频率和阻抗数值；在频率f_r时直线BF上截取点M，在低于M点16dB处取点N；在频率1.6f_r时直线BF上截取点O；从点N引一条斜率-12dB/Oct直线交AE于点P，频率值为f₁；连接点APNOCD折线即为有效输入阻抗Z；阻抗Z经⁰Z_r＝4×10^-2×10^0.05Z换算得到各频段阻抗值；

即每台设备振动输入位置处的分频率筏架有效机械阻抗为：

1)5Hz～f₁频段内：⁰Z_r＝2πfM_ei>

2)f₁～f_r频段内：

3)f_r～1.6f_r频段内：⁰Z_r＝1×10⁵×(Z₃)^5lgf-9.44，其中

4)1.6f_r～f_rH频段内：其中

5)高于f_rH频段内：

其进一步技术方案在于：

所述筏架的安装结构为：包括基座，所述基座的上部通过多个第二弹簧安装筏架，所述筏架的顶部通过多个第一弹簧安装多个设备。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明创新性地提出了在方案设计阶段筏架结构没有设计定型的情况下，仅根据筏架初步方案设计尺寸等参数，就可以定量快速估算其有效机械阻抗等动力学特性的方法，从而为浮筏结构的后续详细设计提供设计依据；

(2)本发明方法与筏架设计传统分析方法相比，仅需计算筏架简化模型共振频率和等效质量就可再通过工程公式计算得到其有效机械阻抗，不仅省去传统分析方法中结构建模和仿真分析流程而省时省力，而且设计初期就可定量设计阻抗而摒弃了传统方法的盲目性，指导结构设计中更具科学性和严谨性；

(3)本发明方法设计流程清晰、操作明确，具有很大的实用价值，可以依据此方法设计浮筏动力学特性图谱在工程中推广应用，因而可以大幅提高整个结构和声学设计的效率。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明浮筏隔振系统的结构示意图。

图3为本发明浮筏有效阻抗确定方法图。

图4为本发明浮筏筏架的俯视图。

图5为图4中沿A-A截面的剖视图。

图6为图4中沿B-B截面的剖视图。

图7为本发明确定的筏架有效机械阻抗值。

其中：1、设备；2、第一弹簧；3、筏架；4、第二弹簧；5、基座。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本实施例的一种浮筏隔

振装置筏架结构有效机械阻抗的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：分析获取筏架结构的初始计算参数；

第二步：计算筏架的第一阶共振频率；

第三步：计算筏架的等效质量

第四步：计算每台设备振动输入位置处筏架有效机械阻抗。

第一步中，初始计算数据包括：筏架质量，几何尺寸(筏架长、宽、高，

面板尺寸，加强筋尺寸及间距)，机械设备安装位置，设备隔振器数量；

第二步中，首先计算筏架等效为梁的第一阶弯曲共振频率，如式(a)所示：

式中，M_r——筏架质量(包含刚性安装在筏架上的设备质量)；

l_r——筏架长度；α＝3.57(通常条件下的筏架长宽比)；

I_min——筏架垂直长度方向横剖面最小惯性矩；

E——筏架材料杨氏模量；

然后计算筏架等效为平板的第一阶固有频率，如式(b)所示：

f_rH＝0.6hc(1/b²+1/l²)>

式中，c—筏架材料纵波波速，h—筏架支撑面板厚度，b—浮筏支撑面板宽度，l—筏架相邻横肋距离；

第三步中，第一阶弯曲共振频率筏架等效质量(模态质量)按式(c)计算：

M_e＝0.7M_r>

每台设备下筏架等效质量按式(d)计算：

式中，x_i,y_i—第i台设备在筏架平面内的投影坐标；

第四步中，有效机械阻抗⁰Z_r使用对数形式Z表示：

在频率f-阻抗Z坐标系中确定各频段有效阻抗值：分别以⁰Z_r＝ωM_ei、⁰Z_r＝ωM_e确定直线AE、BF；按式(a)、分别确定直线CD起始频率和阻抗数值；在频率f_r时直线BF上截取点M，在低于M点16dB处取点N；在频率1.6f_r时直线BF上截取点O；从点N引一条斜率-12dB/Oct直线交AE于点P，频率值为f₁；连接点APNOCD折线即为有效输入阻抗Z；阻抗Z经⁰Z_r＝4×10^-2×10^0.05Z换算得到各频段阻抗值；

即每台设备振动输入位置处的分频率筏架有效机械阻抗为：

5Hz～f₁频段内：⁰Z_r＝2πfM_ei>

f₁～f_r频段内：

f_r～1.6f_r频段内：⁰Z_r＝1×10⁵×(Z₃)^5lgf-9.44，其中

1.6f_r～f_rH频段内：其中

高于f_rH频段内：

筏架3的安装结构为：包括基座5，所述基座5的上部通过多个第二弹簧4安装筏架3，所述筏架3的顶部通过多个第一弹簧2安装多个设备1。

实施例一：

本发明的一种浮筏隔振装置筏架结构有效机械阻抗的确定方法，有效机械阻抗确定是：先等效筏架为简化模型后计算其共振频率，确定频段划分范围；然后计算筏架等效质量后根据工程公式计算分频段阻抗值。以一方案设计阶段浮筏为例，应用本发明方法，详细说明有效机械阻抗的计算过程。

一种浮筏隔振装置筏架结构有效机械阻抗的确定方法，方法流程图如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一，分析获取筏架结构的初始计算参数；

浮筏隔振系统组成如图2所示，某方案设计阶段的某一筏架结构如图4、图5和图6所示，初始计算数据包括：

筏架质量M_r＝1833kg，几何尺寸(筏架长l_r＝4.2m、宽b_r＝2.1m、相邻加强肋骨或加固件间距离l＝0.45m，浮筏支撑面板宽度b＝1.2m，浮筏支撑面板厚度h＝0.012m)，筏架结构材料密度ρ＝7800kg/m³，筏架材料杨氏模量E＝2.1*10¹¹N/m²，筏架垂直长度方向横剖面最小惯性矩I_min＝0.000312m⁴，机械设备安装位置(第i台设备重心在筏架平面内的投影坐标x_i＝0.35，y_i＝0.8)，设备隔振器数量n_i＝4等。

步骤二，计算筏架的第一阶共振频率；

首先计算筏架等效为梁的第一阶弯曲共振频率，如式(f)所示。

式中，M_r——筏架质量(包含刚性安装在筏架上的设备质量)；

l_r——筏架长度；α＝3.57(通常条件下的筏架长宽比)；

I_min——筏架垂直长度方向横剖面最小惯性矩；

E——筏架材料杨氏模量。

此频率f_r即为自由梁弯曲振动的第一阶固有频率。

然后计算筏架等效为平板的第一阶固有频率，无中面力作用的简支薄板固有频率可表示为式(g)所示：

式中，

第(1,1)阶板振动模态频率为式(h)，即高于此频率筏架有效输入阻抗等效为局部板振动时的阻抗。

f_rH＝0.6hc(1/b²+1/l²)＝210Hz>

式中，c—筏架材料纵波波速；h—筏架面板厚度；b—筏架相邻纵桁距离；l—筏架相邻横肋距离。

步骤三，计算筏架的等效质量；

第一阶弯曲共振频率筏架等效质量(模态质量)按式(i)计算：

M_e＝0.7M_r＝1318kg>

每台设备下筏架等效质量按式(j)计算：

式中：x_i,y_i—第i台设备在筏架平面内的投影坐标。

步骤四，计算每台设备振动输入位置处筏架有效机械阻抗。

有效机械阻抗⁰Z_r使用对数形式Z表示：

在频率f-阻抗Z坐标系中确定各频段有效机械阻抗值，如图4所示：分别以⁰Z_r＝ωM_ei、⁰Z_r＝ωM_e确定直线AE、BF；按式(a)、分别确定直线CD起始频率和阻抗数值；在频率f_r时直线BF上截取点M，在低于M点16dB处取点N；在频率1.6f_r时直线BF上截取点O；从点N引一条斜率-12dB/Oct直线交AE于点P，频率值为f₁；连接点APNOCD折线即为有效输入阻抗Z；阻抗Z经⁰Z_r＝4×10^-2×10^0.05Z换算得到各频段阻抗值。

每台设备振动输入位置处的分频率筏架有效机械阻抗为：

1)5Hz～f₁频段内：⁰Z_r＝2πfM_ei＝4647f>

2)f₁～f_r频段内：

3)f_r～1.6f_r频段内：⁰Z_r＝1×10⁵×(Z₃)^5lgf-9.44，其中

4)1.6f_r～f_rH频段内：其中

5)高于f_rH频段内：

本发明筏架有效机械阻抗的频率分段点采用把筏架结构等效简化计算共振频率的方法获得。

本发明提出了仅依据筏架结构的初始设计参数和无需建模分析，就可快速评估计算得到筏架有效机械阻抗的方法。

如图4、图5和图6所示，是一方案设计阶段的某浮筏筏架俯视及横剖面示意图，将筏架按照步骤一获取初始计算参数后，带入步骤二中计算频率分段点(也即共振频率)，再经步骤四计算等效质量后，按照步骤四中的流程得到筏架有效机械阻抗值，如图7所示。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。