基于质量、调谐、混抵效应的浮伐隔振系统优化设计方法与流程

本发明属于振动噪声控制的技术领域，特别涉及一种基于质量、调谐、混抵效应的浮伐隔振系统优化设计方法。

背景技术：

振动噪声控制既是军用船舶隐身性能发展的重点，也是民用船舶航行舒适性的强制性要求，在现代船舶设计中具有越来越重要的作用。对于低速航行的舰艇而言，由船舶主、辅机设备及管路产生的机械噪声是其主要噪声源。机械噪声向船体传递并辐射的第一声通道是船体基座，对机械设备产生的振动采用隔振方式是一种最有效手段。设备隔振主要有单层隔振、双层隔振和浮筏隔振。浮筏隔振是对声隐身要求高的军用船舶控制振动噪声的有效手段。

浮筏是对大于两个独立的设备(包括扰动和非扰动)进行集中隔振的二级隔振系统。浮筏隔振系统由多个被隔振的设备、上层隔振器、中间筏架及下层隔振器等组成，浮筏隔振装置一般安装在船体基座上。

浮筏隔振系统是在单层隔振系统基础上，基于追求更高隔振效果、更小资源代价而发展的结果。在双层隔振装置中，中间筏架一般作为刚体来处理，而在浮筏隔振系统中，由于筏架较大，中间筏架的弹性变形对整体隔振效果具有重要的影响。对于作为刚性中间筏架的双层隔振装置而言，有多种经典理论方法得到隔振系统的解析解，并通过理论分析来优化隔振效果。而对于浮筏隔振系统来说，需要考虑中间筏架的弹性影响，力学上筏架上的各种设备和隔振器是离散的集中质量系统，而筏架是具有弹性的分布质量系统，组合在一起的浮筏隔振装置在动力学上称之为混合动力学系统。而混合动力学系统的动态特性分析一直是动力学上的难题，对复杂的浮筏隔振系统采用理论分析的方法获得完全的解析解，也就难以深刻揭示其内在的机理性问题，制约了浮筏隔振系统工程应用的总体优化。

双层隔振装置的隔振效果与中间筏架的质量密切相关，一般要求中间筏架的质量为被隔振设备质量的0.5倍以上；在双层隔振系统中，筏架的质量越大，第二阶安装频率越靠近第一阶安装频率，其有效隔振区域的起始频率就越低，有效隔振范围就越大。一般来说，中间筏架质量越大，隔振效果越好。但是对于船舶来说，在被隔振设备与基础之间插入一个中间质量，相当于增加一个没有其它用途的中间筏架，占用了宝贵的控制和重量代价。这对于潜艇等空间极为紧张的军用船舶来说，代价是巨大的。比如说，对一台100吨的主机，若采用双层隔振，则需要额外增加一个质量为50吨以上的中间筏架，不仅显著增加重量和空间需求，还大幅提高造价。

浮筏隔振系统与双层隔振系统类似，其隔振效果同样与中间筏架质量密切相关，不同之处在于其筏架上安装了多个扰动源。在浮筏隔振系统的筏架上，既有多个扰动设备，又有非扰动设备，既有弹性安装的设备，也有刚性安装的设备。不同的扰动源对筏架的扰动激励特性不同，最终目的是控制通过下层隔振器传递到船体基座的激励力。所以，在有限的空间、重量资源条件下，如何以最小的代价实现最大的隔振效果是浮筏总体设计需要重点解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述技术需求而提供一种基于质量、调谐、混抵效应的浮伐隔振系统优化设计方法，通过对浮筏隔振系统动力学分析，揭示了其内在机理，基于工程设计，提出了浮筏隔振系统通过隔振安装和配置实现提高隔振效果、减小重量空间、在系统内部实现振动能量抵消和抑制线谱目标的设计原则。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于内在机理的浮筏隔振系统的优化设计方法，其特征在于：包括质量效应优化、调谐效应优化和混抵效应优化，所述质量效应优化为将非扰动设备刚性安装在浮筏隔振系统的中间筏架上；所述调谐效应优化为将非动力设备或不工作的备用动力设备采用弹性安装方式固定在中间筏架上，作为筏架的动力吸振器；所述混抵效应优化为将两个以上的同时运行的动力设备弹性安装在中间筏架上；分别针对上述三个效应提出不同的设备成组、不同安装形式方案，以安装基座振动控制效果为目标，开展方案优选，形成总体最优应用隔振方案。

按上述方案，所述质量效应优化具体包括如下步骤：

a1)将非动力设备安装在中间筏架上，包括油箱、液舱、气瓶和储油缸；

a2)将正常状态不运行的备用设备刚性安装在中间筏架上；

a3)将仅在声学要求不高工况开启的设备，即隐蔽工况不工作的设备，刚性安装在中间筏架上。

按上述方案，所述调谐效应优化具体包括如下步骤：

b1)针对浮筏上拟安装的设备，重点分析设备的激励特性，确认浮筏上安装设备的主要振动激励特征线谱；

b2)根据振动激励特征线谱分析结果，选定主要的一个或几个特征线谱，作为调谐效应控制的对象，准确测量其稳定状态的频率；

b3)选择非动力设备或不工作的备用动力设备作为动力吸振器的质量m，根据需要控制的线谱频率f，将线谱频率f作为该设备的弹性安装频率，根据安装频率选择相应的隔振器动刚度。

按上述方案，所述混抵效应优化还包括在中间筏架内部敷设阻尼材料。

本发明的有益效果是：提供一种基于质量、调谐、混抵效应的浮伐隔振系统优化设计方法，揭示了浮筏隔振系统的质量效应、调谐效应、混抵效应，通过合理利用质量效应、调谐效应和混抵效应，可以使隔振系统既满足功能、总体布置等严格要求，又能实现优化的隔振效果目标，以传递到基座的激励力为目标，充分利用三个效应，可实现浮筏隔振系统的全局最优，为工程中浮筏设计提供了优化理论方法，可提高浮筏隔振装置隔振效果并减小总体资源。

附图说明

图1为本发明一个实施例的优化安装示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明实施方式进行说明，本发明并不局限于下述实施例。

本发明包括浮筏隔振系统三个方面的机理：

1、浮筏的“质量效应”。

浮筏隔振装置中间筏架的质量大小直接影响浮筏隔振效果，一般来说，中间筏架2质量应该是中间筏架上最大动力设备质量的0.5倍以上，而中间筏架质量的增加给潜艇等舰艇总体带来较大负担。将设备刚性安装在中间筏架上，则设备的质量可等效为中间筏架质量的一部分。而当中间筏架上设备弹性安装时，则弹性安装设备4折算到筏架上的等效质量较小，几乎没有贡献。所以，浮筏的质量效应是：将不运动的设备作为一个质量刚性安装在中间筏架上，刚性安装设备3的质量可以等效为筏架质量的一部分，增加了中间筏架质量，增大了整个浮筏隔振装置的质量比，从而提高隔振效果。反过来讲，在达到同样隔振效果的前提下，可以相应减小筏架重量，从而减小舰船宝贵的空间、重量资源。合理利用“质量效应”，可以减小实际筏架的重量，最大限度降低无用附加质量。设计中，可以刚性固定在筏架上的设备主要包括三类：一是非动力设备，比如油箱、液舱、气瓶、储油缸等；二是备份用的动力设备，针对舰艇上为提高可靠性而配置的主、备两套设备特点，将正常状态不运行的备用设备采用刚性安装；三是隐蔽工况不工作的设备，根据设备运行特点，将仅在声学要求不高工况开启的设备刚性安装。

2、浮筏的“调谐效应”。

浮筏的调谐效应，指弹性安装的设备对其它设备及筏架所具有的动力调谐特性。即利用筏架上安装的非动力设备或不工作的备用动力设备，采用弹性安装并设计为筏架的一个动力吸振器，从而对筏架上主要的某个或几个特征线谱进行调谐，提高浮筏整体隔振效果。在潜艇上利用非扰动设备或不工作的扰动设备进行调谐安装设计，可以减小或消除浮筏某个频率点上的结构声泄露点，且不用增加额外的附加重量。

第一步：针对浮筏上拟安装的设备，重点分析设备的激励特性，确认浮筏上安装设备的主要振动激励特征线谱；

第二步：根据振动激励特征线谱分析结果，选定主要的一个或几个特征线谱，作为调谐效应控制的对象，准确测量其稳定状态的频率。

第三步：选择非扰动设备作为动力吸振器的质量m，根据需要控制的线谱频率f，将线谱频率f作为该非扰动设备的弹性安装频率，根据安装频率选择相应的隔振器动刚度。

3、浮筏的“混抵效应”。

由于浮筏筏架具有一定的弹性，当浮筏上安装多个扰动源设备时，多个扰动源同时在筏架上产生振动扰动，多扰动源由于幅值、初始相位和刚度、阻尼等参数的影响，使输入到筏架中的振动波具有不同的相位和大小，对于弹性筏架，各种不同波长、不同相位的振动分量在弹性筏架中传播，使作用在筏架上的扰动力产生一定的相互抵消作用，降低了作用在筏架上的整体扰动力，减小了筏架向船体基座1的能量传递，提高了浮筏整体效果。因此，在同一个浮筏上将较多的不同规格的动力设备弹性安装，可有效提高浮筏的“混抵”效应；此外，为提高筏架的“混抵”效应，可在筏架内部采用敷设阻尼材料的方式提高对于高频噪声的传递损失。

本发明提出的浮筏“质量效应”、“调谐效应”、“混抵效应”三个效应，从机理上揭示了提高浮筏隔振效果的原理和内在规律，为工程浮筏设计提供了优化方法和方向，能在有效减小浮筏对重量、空间等总体资源代价的前提下，实现浮筏隔振效果的最优化设计。为浮筏技术在潜艇等重量控制要求严格、声学要求高的场合应用提供了基础的理论指导。

合理地利用好浮筏的“质量效应”、“调谐效应”和“混抵效应”，使浮筏隔振系统既满足系统的工作要求、总体布置及重量要求，又能满足隔振优化的要求，是一个事关全局最优的系统方案。本发明提出的浮筏三个效应机理，包含了浮筏附加质量的优化、线谱特征的抑制和振动能量的损耗，给出了浮筏总体优化的设计过程。浮筏设计中，全面考虑筏架上安装的扰动设备和非扰动设备弹性或刚性安装的合理组合，可以实现减小总体资源并提高隔振效果的目的。

结合浮筏隔振系统的规模、设备特点和控制要求，分别针对三个效应提出不同的设备成组、不同安装形式方案，以安装基座振动控制效果为目标，开展方案优选，形成总体最优应用隔振方案。