船用弹性吊架隔振计算与试验分析

赵留平1，朱莉，郑绍文，刘岚，王少鹏

(1.海军装备部驻武汉地区第二军事代表室，武汉 430064；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

目前实船空调通风管路系统采用刚性支撑连接，空调通风系统设备和管路的振动通过支撑直接传递到甲板，并向舱室和通道等辐射噪声[1-2]。以往的实船经验发现，空调通风系统管路由于管壁很薄，管道内风速大[3-4]，导致管壁振动剧烈而产生二次声辐射，严重影响舱室的居住性。因此，针对某典型空调通风管路研制两种不同形式的弹性吊架，以降低风管振动，衰减舱室的振动噪声。

1 弹性吊架设计原理

船舶通风系统管路往往沿天花板布置，空间要求吊架不宜过长，且需足以承受系统管路重量[5]。综合考虑影响隔振性能的主要参数、安装空间、承载力，提出弹簧型弹性吊架和橡胶型弹性吊架。

1.1 弹簧型弹性吊架

以矩形通风管路为例，该弹簧型弹性吊架安装见图1。

图1 弹簧型弹性吊架及安装示意

每套弹性吊架装置包括2个弹簧吊架、1个卡箍、角钢以及相关紧固件[6]。具体设计原理如下：

1)如图1a)所示，下盖板9与外壳15一端焊接，下盖板9上设置有中间开孔，下螺栓10穿过下盖板9的中间开孔，并与平垫圈11、弹簧垫圈12、下螺母13固定；上盖板14设置于外壳15另一端，上盖板14上设置有中间开孔，橡胶弹簧座4压入上盖板14的中间开孔；橡胶套5设置于外壳15中，弹簧6设置于橡胶套5中，上螺栓8穿过压板7、弹簧6和橡胶弹簧座4，通过上螺母2和垫圈3紧固于上盖板14上。

当管道受到激励作用，迫使螺栓8压缩弹簧6，弹簧6与橡胶套5产生干摩擦阻尼力，并且弹簧6的弹性及橡胶垫圈4的阻尼都具有良好的隔振缓冲作用，从而使得整套吊架装置具有较好的减振性能。

2)如图1b)所示，通风管道由卡箍18固定，卡箍18两侧通过下螺栓10连接弹簧吊架，弹簧吊架通过锁紧螺母1连接角钢16，角钢16与船体甲板焊接。

整套弹簧吊架装置可通过调整相应规格的弹簧吊架、角钢16、卡箍18，满足船舶通风系统管路空间安装需求。

1.2 橡胶型弹性吊架

以圆形风管为例，该橡胶型弹性吊架安装见图2。每套弹性吊架包括2个橡胶隔振器、1个卡箍、1个橡胶柔性阻尼环、垫块、角钢以及相关紧固件。橡胶型弹性吊架选用体积小的橡胶隔振器，不仅经济适用性好，而且质量轻、占用空间小；采用不同规格和长度的角钢，可调节整套装置的尺寸，以满足不同空间的安装需求。

图2 橡胶型弹性吊架示意图(以圆形风管为例)

1.3 两种弹性吊架设计性能特点

1)弹簧型弹性吊架的动刚度比橡胶型弹性吊架小，弹簧型弹性吊架隔振性能优于橡胶型弹性吊架。

2)相比橡胶型弹性吊架，弹簧型弹性吊架的承载力有限。即对于大载荷的管路宜采用橡胶型弹性吊架。这是因为弹簧型弹性吊架的承载能力通过弹簧的截面来调节，当承载值大到一定级别，弹簧的截面随之增大，弹簧也将失去弹性。

3)相比弹簧型弹性吊架，橡胶型弹性吊架更经济。

2 弹性吊架隔振性能仿真计算分析

用通用有限元仿真软件ANSYS对弹簧型弹性吊架和橡胶型弹性吊架进行20～500 Hz范围内的隔振性能计算。

2.1 弹性吊架参数

1)弹簧型弹性吊架动刚度：K=2.55×105N/m。

重量：～1.5 kg。

2)橡胶型弹性吊架动刚度：K=8.10×105N/m。

重量：～2.0 kg。

2.2 仿真计算模型

在ANSYS中建立隔振系统的有限元网格模型，见图3，包括船体结构、角钢、弹性吊架(弹簧型和橡胶型)。其中，管路重心处采用质量单元MASS模拟，橡胶用COMBIN14单元模拟，角钢结构采用BEAM单元模拟，船体结构采用SHELL单元模拟，边界条件设为甲板的四周刚固。

图3 隔振计算有限元模型

模拟实船直径300 mm、跨度3 m的通风管路，考虑其管路包覆，取其重量为200 kg。将模拟管道的MASS单元设为200 kg，对MASS施加单位加速度激励。

2.3 仿真计算结果及分析

采用频响分析方法，计算管路激励振动通过弹性吊架(弹簧型或橡胶型)传递到船体面板的加速度振级落差。弹簧型弹性吊架、橡胶型弹性吊架在1/3倍频程中心频率处20～500 Hz频段范围内的振级落差变化见图4。

图4 振级落差

由图4可见，该弹簧型弹性吊架和橡胶型器型弹性吊架都有良好的隔振效果，并且弹簧型的隔振效果优于橡胶型器型的隔振效果；两种弹性吊架和橡胶型弹性吊架的振级落差在20～500 Hz范围内的变化趋势一致。这是因为在仿真计算中，两种吊架的所有参数取值只有动刚度不同。因此，有必要进行舱室模型环境下的试验，进一步分析弹性吊架的隔振性能。

3 弹性吊架试验

舱室模型试验，选用通风管路长3 m，直径为300 mm，通过弹性吊架安装于上层甲板。隔振试验原理见图5。

图5 弹性吊架振级落差测试原理示意

通过激振器在弹性吊架的卡箍处进行垂向激励。在激励点附近的管壁上布置2个测点，弹性吊架所在甲板附近布置2个测点。对于所有加速度测点的响应信号，通过快速傅里叶变换获得各测点的振动加速度线谱(有效值)，得到1/3倍频程谱各个频段的振动加速度级。频率范围为20 Hz～10 kHz，线谱的频率分辨率为2 Hz；振动加速度级计算的参考值为10-6m/s2。在此基础上通过计算得到弹性吊架的1/3倍频程振级落差，见图6。

由图6可见，弹簧型弹性吊架明显优于橡胶型隔振器的隔振效果。两种弹性吊架在低中频段(20 Hz～2.5 kHz)范围内有好的隔振效果，但在高频段(3.15～10 kHz)，隔振效果并不理想。

图6 弹性吊架振级落差测试结果

4 结论

1)在相同承载力条件下，弹簧型弹性吊架优于橡胶型弹性吊架的隔振效果；橡胶型弹性吊架承载力范围广，经济适用性强。

2)两种弹性吊架适用于低中频段的管路隔振控制。