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带有动力吸振器浮筏隔振系统的减振特性研究

作　者: 张鲲
导　师: 张培强；陈海波
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 固体力学
关键词: 浮筏隔振系统动力吸振器功率流结构导纳综合法有限元方法
分类号: TB535.1
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

浮筏隔振系统是一种新型有效的减振降噪装置,已开始广泛应用于各种舰船的动力装置中。它可有效地抑制机械振动能量传递到船体,使舰船结构在振动激励下产生的自噪声与辐射噪声大幅度降低,并能对来自船体底部的冲击有着良好的隔离效果。与其相关的理论与试验研究也成为隔振技术领域的研究热点。但是传统被动浮筏仍然是被动隔振,在使用过程中发现有以下不足:首先,在舰艇低速航行,机械设备激励频率等于或低于系统共振频率的情况,隔振措施会“失效”;其次,当舰艇航行工况变化,即振源为变频激励时,隔振系统远离最佳工作状态,导致传递到基座面板处的振动级加大,引起水下辐射噪声增高。本论文以实验室承担的工程预研项目为背景,通过研究带有吸振器的浮筏隔振系统的减振特性,就吸振器在浮筏上减振应用的问题进行探索,具有一定的理论意义和重要实用价值,其具体研究内容如下。实际浮筏的筏体多由箱梁结构组成,结构复杂,计算量大。本文首先从简单结构浮筏系统着手研究动力吸振器在浮筏上的应用,考察通过安装动力吸振器改善浮筏系统隔振性能这一方法的可行性,并为吸振器在实际复杂浮筏结构上的应用提供参考。主要采用结构导纳综合法建立了有、无吸振器的板式浮筏模型,分析比较了相应复杂耦合隔振系统的功率流传递特性。理论分析表明,通过在筏架上安装动力吸振器,尤其是自调谐式半主动吸振器来改善浮筏隔振系统的隔振性能是切实可行的。研究表明吸振器安装位置与下层隔振器相对时,会有较好的减振效果;对于被动吸振器,吸振器在其吸振频率处有明显的减振效果,而当激励频率偏离吸振器的吸振频率时,几乎没有减振效果,甚至有反效果;由不同吸振频率吸振器组合而成的宽频吸振器组可以明显拓宽被动吸振器有效减振频带宽度;自调谐半主动吸振器控制频带宽,对工况的适应性要优于被动吸振器;而吸振器的阻尼和质量比等结构参数对于耦合系统隔振性能有较大影响,在满足系统稳定性和工程实际要求的前提下,应用小阻尼、大质量比的吸振器可有效改善浮筏隔振系统的隔振性能。导纳功率流法是当前的研究浮筏功率流传递的主流研究手段,但其分析对象限于筏体为梁、板等可以获得解析导纳的简单浮筏系统;而且上述工作主要用作浮筏功率流传递理论上的定性研究,尚不能满足分析实际工程问题的需要。本文采用有限元方法,对一实际应用的浮筏系统进行了系统动态特性数值模拟和试验研究,并以此为例较为系统、全面地总结了以有限元分析为手段、功率流为指标的浮筏装置隔振效果的计算方法。该方法应用有限元软件前处理模块直接生成复杂浮筏系统的模型,文中对该方法中筏体、隔振器、基础的建模分别予以了说明:对于筏体单元类型、尺寸等于结果的影响进行了讨论;提出了基于工程软件隔振器复刚度建模方法,模型参数根据试验测得的隔振器速度阻抗换算而来,可体现隔振器随频率变化的刚度和阻尼特性,并就常数参数模型适用的频率范围给出了说明;对于弹性基础的处理可根据实体建模,也可根据实验阻抗数据换算进行简化建模。在此基础上,应用工程软件的谐响应分析技术求解系统在外激励下的响应,并采用后处理程序对系统响应根据不同的工况进行处理运算,从而得到同频和多频激励下浮筏系统的传递功率流。由于研究重点在于对吸振器在浮筏低频减振应用做初步的理论分析和实验验证,所以有必要设计一套应用于该研究的既具有真实复杂浮筏系统动力学特点,质量又较小、易于控制的实验研究用浮筏模型系统。浮筏系统的优良减振效果部分来自于其内部阻尼耗散了振动源传递过来的振动能量。因此,如果适当地增加浮筏系统的阻尼,如变传统焊接方式为螺栓连接,利用螺栓连接的连接阻尼增加筏架内部阻尼;又如在筏体结构中引入橡胶阻尼材料,将会带来浮筏减振效果的进一步改善,有效降低系统在低频段的功率流传递。文中设计实现的浮筏模型系统的筏体,主要结构形式采用仿书柜式的由上筏体和下筏体组成的新型装配式结构,上筏体与下筏体之间装有可更换的垫块,筏架整体由螺栓连接。垫块可以是钢块或橡胶阻尼材料。另外,非常重要的一点是,这种组合式的结构为吸振器的配置安装提供了较大的可利用空间。有限元分析与实验结果表明,该浮筏模型系统具有良好的隔振效果。对设计的刚性基础和弹性基础浮筏模型系统的低频段动力学特性进行了实验研究,主要包括系统振动频响实验以及系统隔振性能测试等方面;采用测得的浮筏模型系统的频响函数对弹性基础浮筏模型系统的有限元模型进行了参数修正。为下一步吸振器参数的设定提供了参考,为吸振器应用效果的模拟计算预报提供了可靠的模型。在此基础上,结合吸振器在复杂浮筏隔振系统上的减振实验,对带有吸振环节的复杂浮筏隔振系统动力学特性进行了研究。对多种工况下吸振器在复杂浮筏系统上的减振效果给出了估算和预报,并完成了实验验证,得到了满意的结果。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-12
插图目录  12-17
插表目录  17-18
第1章绪论  18-30
  1.1 课题研究背景及意义  18-19
  1.2 舰船隔振系统的发展  19-23
    1.2.1 传统隔振系统  19-21
    1.2.2 结合主动控制的混合隔振系统  21-23
    1.2.3 隔振系统的评价指标  23
  1.3 浮筏隔振系统研究现状  23-27
    1.3.1 浮筏隔振系统建模方法  23-26
    1.3.2 浮筏系统的功率流分析方法  26-27
  1.4 吸振技术研究现状  27-29
    1.4.1 被动式吸振器  27-28
    1.4.2 主动式吸振器  28-29
  1.5 本文的研究内容  29-30
第2章带有动力吸振器板式浮筏隔振系统的功率流分析  30-56
  2.1 引言  30
  2.2 浮筏隔振系统动力学模型的建立  30-41
    2.2.1 无吸振器浮筏系统的动力学建模  31-36
    2.2.2 带有动力吸振器浮筏模型的建立  36-39
    2.2.3 导纳综合法系统综合  39-41
  2.3 单频激励下吸振器的应用研究  41-50
    2.3.1 无吸振器浮筏隔振特性  42-44
    2.3.2 被动吸振器对浮筏系统隔振性能的影响  44-47
    2.3.3 自调谐吸振器对浮筏系统隔振性能的影响  47-50
  2.4 异频激励下吸振器的应用研究  50-54
  2.5 本章小结  54-56
第3章复杂浮筏系统有限元建模及功率流分析  56-84
  3.1 引言  56
  3.2 浮筏模型动态特性的有限元数值模拟和试验验证  56-77
    3.2.1 筏架结构的建模及模态分析  57-64
    3.2.2 隔振器的有限元模拟  64-73
    3.2.3 系统动态特性模拟及实验验证  73-77
  3.3 复杂浮筏系统功率流的有限元分析  77-83
  3.4 本章小结  83-84
第4章浮筏模型系统的设计  84-114
  4.1 引言  84
  4.2 备选浮筏模型系统  84-91
    4.2.1 传统形式浮筏  84-88
    4.2.2 组合式浮筏  88-91
  4.3 备选浮筏模型系统结构分析及优化  91-106
    4.3.1 三种备选设计方案的振动分析  91-103
    4.3.2 基于振动传递的模型优化分析  103-106
  4.4 定型浮筏模型系统动力学特性分析  106-111
    4.4.1 最终方案的确定  106-107
    4.4.2 定型浮筏模型系统的模态分析  107-110
    4.4.3 浮筏模型系统隔振效果的预测  110-111
  4.5 本章小结  111-114
第5章浮筏模型系统的实验研究与有限元模型修正  114-134
  5.1 引言  114
  5.2 浮筏模型系统的实验研究  114-124
    5.2.1 实验系统  114-116
    5.2.2 浮筏模型系统频响函数的测定  116-121
    5.2.3 浮筏模型系统隔振特性的测定  121-124
  5.3 浮筏系统有限元模型修正  124-131
    5.3.1 模型修正方法简介  124-127
    5.3.2 浮筏模型系统结构参数修正  127-131
  5.4 本章小结  131-134
第6章带有吸振器浮筏模型系统的减振效果预报及实验验证  134-152
  6.1 引言  134
  6.2 带有吸振器的浮筏隔振系统有限元建模  134-136
  6.3 吸振器的减振效果的理论预报  136-145
    6.3.1 单吸振器减振效果的模拟计算  136-140
    6.3.2 多吸振器减振效果的模拟计算  140-145
  6.4 吸振器减振效果预测结果的实验验证  145-149
  6.5 本章小结  149-152
第7章结论与展望  152-156
  7.1 工作总结  152-154
  7.2 展望  154-156
参考文献  156-168
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  168-170
致谢  170

带有动力吸振器浮筏隔振系统的减振特性研究

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