基于阻抗失配原理的L延拓型船用隔振基座研究

赵新豪1,2，李源源3，袁昱超*1,2，唐文勇1,2，薛鸿祥1,2 1上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240 2高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240 3中国舰船研究设计中心上海分部，上海 201108

摘 要:［目的］传统基座对振动的抑制能力有限，需要开展新型基座结构形式的研究，以达到提高基座隔振性能的目的。［方法］首先，基于阻抗失配原理构造一种L延拓型结构胞元；然后，对通过直壁胞元和L延拓型胞元延展得到的直壁基座与新型一体化基座进行力学性能的对比分析，并采用轻量化设计新型基座及得到分块化基座；最后，通过改变胞元内L型结构的厚度比例关系，以进一步检验提升新型分块化基座的隔振效果。［结果］研究表明，在基座重量相近的前提下，新型基座在10~250 Hz频段总振级落差较直壁基座提高了40.56%。［结论］研究证明了L延拓型胞元结构对振动波传递有明显抑制作用，结果可为新型船用隔振基座设计提供一定的参考。关键词： L延拓型胞元；阻抗失配；隔振基座；船舶轻量化设计中图分类号: U661.44文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01983

Study of L-extension type ship vibration isolation pedestal based on impedance mismatch principle ZHAO Xinhao1,2, LI Yuanyuan3, YUAN Yuchao*1,2, TANG Wenyong1,2, XUE Hongxiang1,2

1 State Key Lab of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China 2 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China 3 Shanghai Division, China Ship Development and Design Center, Shanghai 201108, China

Abstract: ［Objectives］As the traditional pedestal has limited vibration suppression ability, it is necessary to design a new type of pedestal structure to improve its performance in this aspect.［Methods］First, based on the principle of impedance mismatch, a kind of L-extension structural cell is constructed. The mechanical properties of the straight-wall pedestal and new integrated pedestal are then compared and analyzed, therefore, the new type of pedestal is designed as lightweight to obtain a block pedestal. Finally, by changing the ratio of the thickness of the L-shaped structure in the cell, the vibration isolation effects of the new block pedestal are further improved.［Results］The results show that under the premise that the weight of the pedestals are similar, the total vibration level drop of the new pedestal in the whole frequency band of 10-250 Hz is increased by 40.56% compared with that of the straight-wall pedestal.［Conclusions］It concludes that the L-extension cell structure proposed in this paper has obvious inhibitory effects on vibration wave transmission, and that the L-extension cell structure can provide references for the design of new marine vibration isolation pedestals. Key words: L-extension cell；impedance mismatch；vibration isolation base；lightweight design of ship

收稿日期: 2020–06–03修回日期: 2020–07–19 网络首发时间: 2021–05–11 10:37作者简介: 赵新豪，男，1998年生，硕士生。研究方向：船舶结构振动与噪声控制。E-mail：zhaoxinhao@sjtu.edu.cn李源源，女，1976年生，硕士，高级工程师袁昱超，男，1991年生，博士，助理研究员。研究方向：船海结构物响应分析及减振降噪技术。E-mail：godyyc@sjtu.edu.cn *通信作者:袁昱超

0 引 言

振动噪声是船舶工程领域的主要研究方向之一。基座是连接船体与动力设备的重要构件，也是振动波传递的主要途径[1]。开展新型船用基座结构设计研究使其兼具隔振与承载能力已经成为船舶减振降噪重要的研究手段[2]。在以往的研究中，很多学者采用阻抗失配原理设计基座，其实质是弹性波在传递过程遇到材料参数、截面尺寸和结构形式不连续（质量、刚度突变）时会产生能量衰减的现象[3]。Park 等[4] 对于以一定角度相连的平板结构，导出面内能量方程，用来预测中、高频率振动的能量分布。Yao等[5] 基于波动理论，研究了T型结构和十字分开型结构对振动波的抑制特性，并通过数值计算发现阻抗失配基座能够提高隔振性能。任少飞等[6]构造了4种潜艇阻抗失配基座并进行了数值模拟，结果表明基座加剧了振动波的转换、反射与散射。朱成雷等[7] 构造了具有高传递损失的4种基座来抑制振动向水中传递，发现中频段激励下的桁架式结构隔振效果好于板架式结构。张彤彤等[8] 对腹板是否沿水舱面板偏置设计了2 种基座，研究发现基座偏置腹板能够改变振动波传递路径，可实现振动抑制的目的。刘恺等[9] 基于阻抗失配原理设计了立式板架基座，该基座重量低于原始基座，在 100 Hz以上频段的隔振效果良好。叶珍霞[10]在不改变基座结构形式和总体质量的情况下，通过优化面板和腹板的厚度，提高了振级落差。杨培凯等[11] 基于波动法研究了连接结构的振动传递，发现板垂直连接时波形转化效果明显，减振效果较好。上述研究表明，阻抗失配基座具有较好的隔振性能。为了提高基座的隔振性能，目前已有学者基于振动波通过L型连接2块平板后能量有所衰减的理论，通过优化基座结构，验证了该理论的正确性。然而，对于通过多次运用该理论来设计基座结构，以进一步增强基座隔振效果的研究则较为少见。本文基于阻抗失配原理，拟提出一种L 延拓型胞元结构形式，其胞元内部包含多组L型转角结构，使得振动波发生多次波型转换，以有效抑制振动波的传递。通过直壁基座与新型一体化基座进行有限元对比分析，讨论验证用新型胞元代替直壁结构所体现的隔振优势，为船用隔振基座设计提供一种新的结构形式，对舰船减振降噪设计具有一定的军事价值。

1 振动波传递和隔振评价理论

1.1 L型结构振动波传递特性

如图1 所示，假设弯曲波vy1+ e 从半无限长jkB1 x刚性连接平板1入射，在转角处会发生阻抗失配，从而导致入射波产生反射与透射现象，以及衰减的近场波和波形转换。总的波场由入射声场、反射声场及近场波衰减声场3 部分构成[12] ，具体表达式如式（1）所示。

式中：vx1(x) ， vx2(y)分别为板 1，2中的质点沿x 轴方向的振速； vy1(x) ， vy2(y)分别为板 1，2 中的质点沿y轴方向的振速； vy1+为入射弯曲波振速的幅值， k ， kB2分别为板 1，2 中的弯曲波波数；kL1 ， kL2分别B1为板 1，2 中的纵波波数； rBB ， rBj分别为弯曲波反射系数和考虑近场波衰减的反射系数；t12BB，t12Bj分别为透射系数和考虑近场波衰减的透射系数； rBL ， t12BL分别为由于波形转换导致的反射系数和透射系数。

式中： Fx1 ， Fy2分别为板 1，2 的正应力； Fy1 ， Fx2分别为板 1，2 的剪应力； M1 ， M2分别为板 1，2 的弯矩； w1 ， w2分别为板 1，2在转角处的角速度。将式(1)中的弯曲波速度场代入边界条件式(2)，可进行求解。对于L 型板， h1和h2分别为板 1，2 的厚度，引入厚度比 =h2 h 1， =h1 h2来表征 2块板的厚度12 21关系，得到弯曲波从板1到板2的透射系数