一種浮筏隔振裝置筏架結構有效機械阻抗的確定方法與流程
2023-07-13 07:07:31 1
本發明涉及船舶減振降噪技術領域，尤其是一種浮筏隔振裝置筏架結構有效機械阻抗的確定方法。
背景技術：
浮筏隔振裝置是船舶上機械設備及機組隔振設計的重要措施和水下輻射噪聲控制的有效手段，而安裝機械設備的筏架結構是整個浮筏系統的關鍵組成部分。在浮筏筏架結構設計中，有效機械阻抗是一項非常重要的設計參數。筏架有效機械阻抗直接影響著浮筏裝置的隔振效果，從而也影響著整體系統的振動噪聲水平。目前船舶上應用浮筏隔振裝置的減振降噪效果不一，主要是因為對筏架阻抗等動力學特性沒有完全掌握的前提下就進行結構詳細設計，因此需要在方案階段就需要對筏架阻抗進行定量設計。若筏架有效機械阻抗參數初期就設計不合理，則後期結構定型設備安裝後振動通過隔振裝置後的傳遞和分配將變得不合理，因此將可能存在基座結構振動過大和水下輻射噪聲超標等嚴重問題。
現有技術中，浮筏隔振裝置分析方法中筏架結構的設計，或者在多體動力學分析中被作為剛體處理而忽略其彈性特徵，或者被作為彈性體進行數值建模分析，因此在方案設計階段筏架結構還沒有完全定型時其有效機械阻抗往往無法準確獲得。如果方案階段筏架有效機械阻抗設計不合理而很可能會出現隔振效果不明顯的現象，則需要後期不斷修改詳細設計階段的圖紙後進行迭代計算或者對筏架結構進行局部加強改造，而最終得到滿足技術要求的設計型式。這樣整個設計過程需要不斷修改模型和分析計算，耗費較大的人力物力，同時導致設計周期加長，設計方法也沒有較強的針對性和前瞻性。
技術實現要素：
本申請人針對上述現有生產技術中的缺點，提供一種浮筏隔振裝置筏架結構有效機械阻抗的確定方法，從而在方案設計階段筏架具體結構還沒完全明確時，依據筏架結構的初始設計參數，通過計算筏架共振頻率和等效質量後由工程公式計算得到有效機械阻抗。此確定方法省去結構建模過程，達到快速評估計算有效機械阻抗的目的。
本發明所採用的技術方案如下：
一種浮筏隔振裝置筏架結構有效機械阻抗的確定方法，其特徵在於：包括如下步驟：
第一步：分析獲取筏架結構的初始計算參數；
第二步：計算筏架的第一階共振頻率；
第三步：計算筏架的等效質量
第四步：計算每臺設備振動輸入位置處筏架有效機械阻抗。
其進一步技術方案在於：
第一步中，初始計算數據包括：筏架質量，幾何尺寸(筏架長、寬、高，面板尺寸，加強筋尺寸及間距)，機械設備安裝位置，設備隔振器數量；
第二步中，首先計算筏架等效為梁的第一階彎曲共振頻率，如式(a)所示：
式中，mr——筏架質量(包含剛性安裝在筏架上的設備質量)；
lr——筏架長度；α＝3.57(通常條件下的筏架長寬比)；
imin——筏架垂直長度方向橫剖面最小慣性矩；
e——筏架材料楊氏模量；
然後計算筏架等效為平板的第一階固有頻率，如式(b)所示：
frh＝0.6hc(1/b2+1/l2)(b)
式中，c—筏架材料縱波波速，h—筏架支撐面板厚度，b—浮筏支撐面板寬度，l—筏架相鄰橫肋距離；
步驟三，計算筏架的等效質量；
第一階彎曲共振頻率筏架等效質量(模態質量)按式(c)計算：
me＝0.7mr(c)
每臺設備下筏架等效質量按式(d)計算：
式中，xi,yi—第i臺設備在筏架平面內的投影坐標；
步驟四，計算每臺設備振動輸入位置處筏架有效機械阻抗；
有效機械阻抗0zr使用對數形式z表示：
在頻率f-阻抗z坐標系中確定各頻段有效阻抗值：分別以0zr＝ωmei、0zr＝ωme確定直線ae、bf；按式(a)、分別確定直線cd起始頻率和阻抗數值；在頻率fr時直線bf上截取點m，在低於m點16db處取點n；在頻率1.6fr時直線bf上截取點o；從點n引一條斜率-12db/oct直線交ae於點p，頻率值為f1；連接點apnocd折線即為有效輸入阻抗z；阻抗z經0zr＝4×10-2×100.05z換算得到各頻段阻抗值；
即每臺設備振動輸入位置處的分頻率筏架有效機械阻抗為：
1)5hz～f1頻段內：0zr＝2πfmein·s/m；
2)f1～fr頻段內：
3)fr～1.6fr頻段內：0zr＝1×105×(z3)5lgf-9.44，其中
4)1.6fr～frh頻段內：其中
5)高於frh頻段內：
其進一步技術方案在於：
所述筏架的安裝結構為：包括基座，所述基座的上部通過多個第二彈簧安裝筏架，所述筏架的頂部通過多個第一彈簧安裝多個設備。
本發明的有益效果如下：
(1)本發明創新性地提出了在方案設計階段筏架結構沒有設計定型的情況下，僅根據筏架初步方案設計尺寸等參數，就可以定量快速估算其有效機械阻抗等動力學特性的方法，從而為浮筏結構的後續詳細設計提供設計依據；
(2)本發明方法與筏架設計傳統分析方法相比，僅需計算筏架簡化模型共振頻率和等效質量就可再通過工程公式計算得到其有效機械阻抗，不僅省去傳統分析方法中結構建模和仿真分析流程而省時省力，而且設計初期就可定量設計阻抗而摒棄了傳統方法的盲目性，指導結構設計中更具科學性和嚴謹性；
(3)本發明方法設計流程清晰、操作明確，具有很大的實用價值，可以依據此方法設計浮筏動力學特性圖譜在工程中推廣應用，因而可以大幅提高整個結構和聲學設計的效率。
附圖說明
圖1為本發明的流程圖。
圖2為本發明浮筏隔振系統的結構示意圖。
圖3為本發明浮筏有效阻抗確定方法圖。
圖4為本發明浮筏筏架的俯視圖。
圖5為圖4中沿a-a截面的剖視圖。
圖6為圖4中沿b-b截面的剖視圖。
圖7為本發明確定的筏架有效機械阻抗值。
其中：1、設備；2、第一彈簧；3、筏架；4、第二彈簧；5、基座。
具體實施方式
下面結合附圖，說明本發明的具體實施方式。
如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6和圖7所示，本實施例的一種浮筏隔
振裝置筏架結構有效機械阻抗的確定方法，其特徵在於：包括如下步驟：
第一步：分析獲取筏架結構的初始計算參數；
第二步：計算筏架的第一階共振頻率；
第三步：計算筏架的等效質量
第四步：計算每臺設備振動輸入位置處筏架有效機械阻抗。
第一步中，初始計算數據包括：筏架質量，幾何尺寸(筏架長、寬、高，
面板尺寸，加強筋尺寸及間距)，機械設備安裝位置，設備隔振器數量；
第二步中，首先計算筏架等效為梁的第一階彎曲共振頻率，如式(a)所示：
式中，mr——筏架質量(包含剛性安裝在筏架上的設備質量)；
lr——筏架長度；α＝3.57(通常條件下的筏架長寬比)；
imin——筏架垂直長度方向橫剖面最小慣性矩；
e——筏架材料楊氏模量；
然後計算筏架等效為平板的第一階固有頻率，如式(b)所示：
frh＝0.6hc(1/b2+1/l2)(b)
式中，c—筏架材料縱波波速，h—筏架支撐面板厚度，b—浮筏支撐面板寬度，l—筏架相鄰橫肋距離；
第三步中，第一階彎曲共振頻率筏架等效質量(模態質量)按式(c)計算：
me＝0.7mr(c)
每臺設備下筏架等效質量按式(d)計算：
式中，xi,yi—第i臺設備在筏架平面內的投影坐標；
第四步中，有效機械阻抗0zr使用對數形式z表示：
在頻率f-阻抗z坐標系中確定各頻段有效阻抗值：分別以0zr＝ωmei、0zr＝ωme確定直線ae、bf；按式(a)、分別確定直線cd起始頻率和阻抗數值；在頻率fr時直線bf上截取點m，在低於m點16db處取點n；在頻率1.6fr時直線bf上截取點o；從點n引一條斜率-12db/oct直線交ae於點p，頻率值為f1；連接點apnocd折線即為有效輸入阻抗z；阻抗z經0zr＝4×10-2×100.05z換算得到各頻段阻抗值；
即每臺設備振動輸入位置處的分頻率筏架有效機械阻抗為：
5hz～f1頻段內：0zr＝2πfmein·s/m；
f1～fr頻段內：
fr～1.6fr頻段內：0zr＝1×105×(z3)5lgf-9.44，其中
1.6fr～frh頻段內：其中
高於frh頻段內：
筏架3的安裝結構為：包括基座5，所述基座5的上部通過多個第二彈簧4安裝筏架3，所述筏架3的頂部通過多個第一彈簧2安裝多個設備1。
實施例一：
本發明的一種浮筏隔振裝置筏架結構有效機械阻抗的確定方法，有效機械阻抗確定是：先等效筏架為簡化模型後計算其共振頻率，確定頻段劃分範圍；然後計算筏架等效質量後根據工程公式計算分頻段阻抗值。以一方案設計階段浮筏為例，應用本發明方法，詳細說明有效機械阻抗的計算過程。
一種浮筏隔振裝置筏架結構有效機械阻抗的確定方法，方法流程圖如圖1所示，包括以下幾個步驟：
步驟一，分析獲取筏架結構的初始計算參數；
浮筏隔振系統組成如圖2所示，某方案設計階段的某一筏架結構如圖4、圖5和圖6所示，初始計算數據包括：
筏架質量mr＝1833kg，幾何尺寸(筏架長lr＝4.2m、寬br＝2.1m、相鄰加強肋骨或加固件間距離l＝0.45m，浮筏支撐面板寬度b＝1.2m，浮筏支撐面板厚度h＝0.012m)，筏架結構材料密度ρ＝7800kg/m3，筏架材料楊氏模量e＝2.1*1011n/m2，筏架垂直長度方向橫剖面最小慣性矩imin＝0.000312m4，機械設備安裝位置(第i臺設備重心在筏架平面內的投影坐標xi＝0.35，yi＝0.8)，設備隔振器數量ni＝4等。
步驟二，計算筏架的第一階共振頻率；
首先計算筏架等效為梁的第一階彎曲共振頻率，如式(f)所示。
式中，mr——筏架質量(包含剛性安裝在筏架上的設備質量)；
lr——筏架長度；α＝3.57(通常條件下的筏架長寬比)；
imin——筏架垂直長度方向橫剖面最小慣性矩；
e——筏架材料楊氏模量。
此頻率fr即為自由梁彎曲振動的第一階固有頻率。
然後計算筏架等效為平板的第一階固有頻率，無中面力作用的簡支薄板固有頻率可表示為式(g)所示：
式中，
第(1,1)階板振動模態頻率為式(h)，即高於此頻率筏架有效輸入阻抗等效為局部板振動時的阻抗。
frh＝0.6hc(1/b2+1/l2)＝210hz(h)
式中，c—筏架材料縱波波速；h—筏架面板厚度；b—筏架相鄰縱桁距離；l—筏架相鄰橫肋距離。
步驟三，計算筏架的等效質量；
第一階彎曲共振頻率筏架等效質量(模態質量)按式(i)計算：
me＝0.7mr＝1318kg(i)
每臺設備下筏架等效質量按式(j)計算：
式中：xi,yi—第i臺設備在筏架平面內的投影坐標。
步驟四，計算每臺設備振動輸入位置處筏架有效機械阻抗。
有效機械阻抗0zr使用對數形式z表示：
在頻率f-阻抗z坐標系中確定各頻段有效機械阻抗值，如圖4所示：分別以0zr＝ωmei、0zr＝ωme確定直線ae、bf；按式(a)、分別確定直線cd起始頻率和阻抗數值；在頻率fr時直線bf上截取點m，在低於m點16db處取點n；在頻率1.6fr時直線bf上截取點o；從點n引一條斜率-12db/oct直線交ae於點p，頻率值為f1；連接點apnocd折線即為有效輸入阻抗z；阻抗z經0zr＝4×10-2×100.05z換算得到各頻段阻抗值。
每臺設備振動輸入位置處的分頻率筏架有效機械阻抗為：
1)5hz～f1頻段內：0zr＝2πfmei＝4647fn·s/m；
2)f1～fr頻段內：
3)fr～1.6fr頻段內：0zr＝1×105×(z3)5lgf-9.44，其中
4)1.6fr～frh頻段內：其中
5)高於frh頻段內：
本發明筏架有效機械阻抗的頻率分段點採用把筏架結構等效簡化計算共振頻率的方法獲得。
本發明提出了僅依據筏架結構的初始設計參數和無需建模分析，就可快速評估計算得到筏架有效機械阻抗的方法。
如圖4、圖5和圖6所示，是一方案設計階段的某浮筏筏架俯視及橫剖面示意圖，將筏架按照步驟一獲取初始計算參數後，帶入步驟二中計算頻率分段點(也即共振頻率)，再經步驟四計算等效質量後，按照步驟四中的流程得到筏架有效機械阻抗值，如圖7所示。
以上描述是對本發明的解釋，不是對發明的限定，本發明所限定的範圍參見權利要求，在本發明的保護範圍之內，可以作任何形式的修改。