避免产生共振的模态避让方法与流程

本发明涉及的是一种规避设备激励频率从而避免产生共振的模态避让方法。

背景技术：

旋转类机械设备广泛应用于船舶及其他工业领域中，其运转产生的低频周期性振动是船舶结构振动噪声的主要激励源，严重影响船舶运行时的安全性、隐秘性和乘务员的舒适性。此外，旋转类机械为周期性的振动当其作为激励源，作用于相邻机械设备，且旋转类设备激励频率与相邻机械结构固有频率接近或相等时，激励设备及其安装平台产生共振，导致激励设备及其平台振动加剧和噪声放大等不良影响。

现有减振技术大致可分为三大类：一、隔振，只有当驱动频率大于系统固有频率的倍数时，隔振系统才能起到隔振作用，因此频率范围很低的共振一般很难进行隔振处理，基于这一特性极大地限制了隔振器使用的频率范围；二、吸振，在振动机械设备上安装吸振器，通过安装吸振器使设备的共振峰值减小，但机械设备易在驱动频率附近产生两个新的共振峰，且有效作用频带较窄、设备总质量显著增加；三、阻尼减振，在机械振动结构外壳可以添加阻尼材料，使振动能量不断转化为热量进行耗散，但低频段的作用效果不明显。以上三种减振技术虽然已经在振动噪声控制领域广泛应用，但在实际应用过程中都存在相应的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供用在旋转类机械领域避免产生共振的模态避让方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明避免产生共振的模态避让方法，其特征是：

(1)简化激励设备及安装平台几何模型；

(2)应用有限元前处理软件hypermesh建立激励设备及安装平台有限元模型；

(3)应用有限元软件ansys对安装平台进行谐响应分析，根据分析结果简化安装平台有限元计算模型：首先，对简化前安装平台进行谐响应分析计算，分析谐响应结果曲线峰值处的频率，其次简化距离柴油发电机组远处的安装平台结构，对简化后的安装平台进行谐响应分析，将安装平台简化后结果与简化之前结果进行对比，若简化后安装平台的响应峰值对应频率不变，则简化成功，反之，重新进行安装平台模型简化；

(4)根据柴油发电机组激励频率，用有限元软件ansys对柴油发电机组及基座进行模态分析，通过改变连接结构，改变其固有频率，避免激励设备与安装平台在此激励频率处达到共振耦合；

(5)减小平台振动，使设备—平台耦合固有频率避开设备激励频率，降低柴油发电机组附近结构振动烈度，改变基座有两种机理：增大基座刚度或减小基座刚度，对基座结构进行了四种设计方案，分别为：a、不做任何改变；b、在增加基座肋板数量；c、增加基座肋板数量同时减小肋板厚度；d、在柴油机基座甲板下侧增加横向板筋；

(6)对基座结构的四种方案进行平台振动响应模态分析计算、谐响应分析计算，应用matlab对数据进行转换，得到增大结构刚度和减小结构刚度时模态避让结果，得到最优避让方法。

本发明的优势在于：本发明提出的是一种通过改变安装平台固有频率规避设备激励频率，从而避免产生共振的模态避让设计方法。首先本发明与隔振相比不受频率范围影响，因此在频率范围很低的共振情况亦可处理。其次采取吸振措施，虽然可以降低共振峰的幅值，但易在驱动频率附近产生两个新的共振峰，显然本发明会避免类似情况。综上所述，本发明在机械振动设备减振方面具有实施简单、适应频率范围广、不易产生额外共振峰等优点，可以有效避免激励设备与安装平台产生共振，达到减振目的。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是柴油发电机组简化模型示意图；

图3a是安装平台简化前模型图，图3b是安装平台简化后模型图；

图4是基座结构设计示意图；

图5a是12hz附近发电机组振型图a，图5b是12hz附近发电机组振型图b，图5c是12hz附近发电机组振型图c，图5d是12hz附近发电机组振型图d；

图6a是24hz附近柴油发电机组振型图a，图6b是24hz附近柴油发电机组振型图b，图6c是24hz附近柴油发电机组振型图c，图6d是24hz附近柴油发电机组振型图d；

图7a是改变基座结构后12hz附近柴油发电机组振型图a，图7b是改变基座结构后12hz附近柴油发电机组振型图b，图7c是改变基座结构后12hz附近柴油发电机组振型图c，图7d是改变基座结构后12hz附近柴油发电机组振型图d；

图8a是改变基座结构后24hz附近柴油发电机组振型图a，图8b是改变基座结构后24hz附近柴油发电机组振型图b，图8c是改变基座结构后24hz附近柴油发电机组振型图c，图8d是改变基座结构后24hz附近柴油发电机组振型图d；

图9是方案2振动响应结果图；

图10是方案3振动响应结果图；

图11是方案4振动响应结果图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-11，本发明的目的是通过以下步骤实现的：

步骤一：简化激励设备几何模型；

步骤二：应用有限元前处理软件hypermesh建立激励设备及安装平台有限元模型；

步骤三：应用有限元软件ansys对安装平台进行谐响应分析，根据计算结果简化安装平台有限元模型，以便提取激励设备主要模态；

步骤四：根据设备资料得到设备主要激励频率，对激励设备及其附近结构进行模态分析，分析在激励源处的模态振型；

步骤五：根据步骤四中模态分析结果，改变激励设备与安装平台连接处结构，通过改变连接处的结构，可改变激励设备—安装平台耦合振动频率，改变结构有两种机理：增大设备附近刚度或减小刚度，因此对改变刚度进行方案设计；

步骤六：对新方案进行模态分析计算、谐响应分析计算，应用matlab对数据进行转换，得到增大结构刚度和减小结构刚度时模态避让结果，得到最优设计方案。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.步骤一中激励设备简化具体指：需要能够抽象出需要分析的系统对象的力学特点，模型在反应实际主要问题的同时忽略其次要结构(忽略次要的结构可以降低计算规模、减少计算时间)。

2.步骤三中安装平台简化具体指：首先对安装平台进行谐响应分析计算，分析谐响应结果曲线主要峰值处的频率，其次简化距离激励设备较远处的平台结构，最后对简化后的安装平台进行谐响应分析。若简化前后安装平台谐响应主要峰值对应频率相同，则简化成功；反之，重新简化安装平台模型。

3.进行有限元网格划分时，需要对安装平台与激励设备连接处的结构进行网格细化处理，提高计算精度。

具体来说，本发明的实施按照如下步骤：

步骤一、根据某平台及设备资料，对平台的柴油发电机组进行简化模型建立，为进行有限元分析，简化的模型要能够抽象出需要分析的系统对象的力学特点，模型在反应实际主要问题的同时忽略其次要结构(忽略次要的结构可以降低计算规模、减少计算时间)，这样才能称为一个合理简化的模型，柴油发电机组简化模型如图2所示。

步骤二、应用有限元前处理软件hypermesh对柴油发电机组及安装平台进行离散化处理，网格划分的优劣，直接决定了计算结果的精确程度，因此平台柴油发电机基座附近需要进行网格细化处理，以提高计算精度。对应设备及平台资料，对模型物理属性进行创建和匹配，得到可进行有限元计算的有限元模型，以.cdb格式导出。

步骤三、应用有限元软件ansys对某平台进行谐响应分析，根据分析结果简化平台有限元计算模型，以便提取发柴油电机组主要模态，平台简化前后模型如图3所示。简化具体操作：首先，对简化前某平台进行谐响应分析计算，分析谐响应结果曲线主要峰值处的频率，其次简化距离柴油发电机组较远处的平台结构，对简化后的某平台进行谐响应分析，将某平台简化后结果与简化之前结果进行对比，若简化后平台的响应主要峰值对应频率不变，则简化成功。反之，重新进行平台模型简化。

步骤四、基于模态共振避让理论，对柴油发电机组基座进行设计研究。根据资料得到柴油发电机组激励频率，应避免设备与平台在此激励频率处达到共振耦合。首先应用有限元软件ansys对柴油发电机组及基座附近甲板进行模态分析，了解其振动特点，通过图5和图6柴油发电机组模态振型可知,在12hz和24hz附近出现较多明显的振型，说明结构在该频率下容易受设备激励的影响，振动剧烈。因此通过改变连接结构，改变其固有频率，进而使得在激励频率附近出现的主振型减少，同时降低在激励频率处柴油发电机组及平台振动强度，达到避振目的。

步骤五、为了减小平台振动，使设备—平台耦合固有频率避开设备激励频率，降低柴油发电机组附近结构振动烈度，将对基座进行改装设计研究。改变基座有两种机理：1、增大基座及附近甲板的刚度；2、减小基座及附近甲板的刚度。因此对基座结构进行了四中设计方案如图4所示，分别为：a、不做任何改变；b、在增加基座肋板数量；c、增加基座肋板数量同时减小肋板厚度；d、在柴油机基座甲板下侧增加横向板筋。

步骤六、对基座结构的四种方案进行平台振动响应分析和模态分析。柴油发电机组基座及平台结构的改变会使结构传递振动能力发生改变，从而设备本身振动引起的平台振动也会与之前有差异。基座改变前后，柴油发电机组及基座附近甲板的响应结果通过对比分析可知，如图9方案2使得基座附近甲板在24hz附近处的加速度级减小。由图10可知，方案3增加基座肋板数目并减小肋板厚度后，设备附近甲板振动加速度级在12hz和24hz附近处减小。通过图11可以看到方案4对整个频域内对基座平台处的加速度级的影响均不大。经由以上分析可知，方案3的实施使得柴油发电机组及平台在12hz及24hz处的振动加速度级减小，由此在方案3的基础上对柴油发电机组及附近甲板进行模态分析如图7和图8，在改变基座结构后在激励频率附近主振型数量变少，尤其在24hz附近，由此说明了改变基座结构对避振的效果显著。

综上，本发明提出了一种通过改变安装平台固有频率规避设备激励频率，从而避免产生共振的模态避让设计方法。首先本发明与隔振相比不受频率范围影响，因此在频率范围很低的共振亦可处理。其次采取吸振措施，虽然可以降低共振峰的幅值，但易驱动频率附近产生两个新的共振峰，显然本发明会避免类似情况。综上所述，本发明在机械振动设备减振方面具有实施简单、适应频率范围广、不易产生额外共振峰等优点，可以有效避免激励设备与安装平台产生共振，达到减振目的。