浮筏隔振系统结构参数对隔振性能影响的研究

浮筏隔振系统结构参数对隔振性能影响的研究摘要：本文以船用柴油机发电机组浮筏为研究对象，利用ansys 谐响应分析计算了机组隔振系统结构的振动响应，并从系统的振级落差的角度详细研究了双层隔振系统主要结构如上下层隔振器刚度、中间体与被隔设备的质量比、以及隔振器阻尼等参数改变对系统结构振动响应的影响，同时进行了计算和试验结果对比分析。

为船用柴油机浮筏隔振系统的设计提供一些有益的结论。

关键词：船舶柴油机；ansys；有限元法；隔振效果abstract：based on the marine diesel generating set floating raft as the research object， the paper calculated the vibration response of the set vibration isolation system by using ansys harmonic response analysis and from the system’s vibration level perspective， a detailed study of the double-layer vibration isolation system of main structure has been made ，such as stiffness of double-layer isolator， the quality ratio of intermediates ，the influence of the vibration response on system structure caused by the change of damping . simultaneously， made a contract analysis of calculation and test results .it may provide some useful conclusions for the design of the floating raft isolation system .key words： marine diesel engine； ansys； finite element method； isolation performance引言浮筏系统就在一个公共的筏体上安装多台机器设备，将筏体弹性地安装在装有筏体的基础上。

由于各机组的频率不同而且扰动力大小也各不相同，因此可以把浮筏简化成一个具有多机组、多激励源、多向隔振的双层隔振系统[1]。

浮筏隔振系统近几年已发展成是针对舰船动力机械实施振动与噪声隔离的有效工具，在振动噪声控制方面取得显著效果。

付建等人提出了一种计算减振浮筏系统振动响应的方法，建立了浮筏系统力学模型，分析了不同阻尼对系统响应的影响[2]。

许江涛分析计算了浮筏隔振系统的抗冲击能力[3]。

本文利用ansys谐响应分析计算功能，分析浮筏隔振系统上下层隔振器的刚度及阻尼、中间质量块与被隔设备的质量比等参数改变对隔振性能的影响，并将数值计算结果与试验测量结果进行比较。

1浮筏隔振系统动力学方程综合以上各部分的结果，带弹性筏体和弹性基础的复杂弹性耦合隔振系统的动力学总方程可以写成矩阵的形式：（1）其中：、、、分别为系统的质量相对于基础的位移矢量、质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和外力向量。

，为系统外力向量。

为总刚度矩阵，将各矩阵的表达式代入方程（1），可以得到三维复杂弹性耦合隔振系统的动力学总方程展开式。

2浮筏有限元分析设计2.1柴油发电机组浮筏设计本文隔振对象是2台4135型柴油发电机组其各组成部分的参数如下：柴油机型式：直列式，水冷，四缸，四冲程；气缸直径：135mm；活塞行程：140mm；连杆长度：280mm；额定功率：58.8kw；额定转速：1500r/min；发火顺序：1-3-4-2；最低稳定转速：500r/min；外形尺寸mm（长×宽×高）：1200×777×1198；柴油机净重：950kg。

发电机型号：tzt-74-30型三相交流自激恒压同步电机；额定功率：37.5kw；额定转速：1500（r/min）；额定电压：400v；额定电流：54a；外形尺寸mm（长×宽×高）：800×470×236；重量：420kg。

采用图1所示的隔振模型，2机组是对称安装的。

每个机组下面安装6个隔振器，筏体通过16个隔振器安装在基础上。

上层采用jg4—2隔振器，下层采用ea400隔振器。

隔振器参数见表1。

2.2隔振效果分析方法本文分别分析了机组、筏体位移和加速度振动响应，并针对振级落差进行了研究。

利用ansys求的谐响应分析中的机组和筏体垂向位移响应。

振级落差被定义为被隔振设备振动响应的有效值与对应基础响应的有效值之比的常用对数的20倍。

振动响应可以是速度、位移或加速度，相应的称为速度振级落差、位移振级落差和加速度振级落差[4]。

以位移响应为例，被隔振设备与基础之间的振级落差，可定义为式中：为被隔振设备的位移响应；为基础的位移响应。

本文分别分析了机组、筏体位移的振动响应，并针对位移振级落差进行了研究。

利用ansys谐响应分析求得机组和筏体在不同频率下的垂向位移响应。

带入（2）式便可得出不同频率下的振级落差。

2.3建立有限元模型建立浮筏的有限元模型时作如下处理：用刚性固体块单元solid45等效机组的质量、转动惯量和惯性矩；用壳单元shell63模拟中间筏体和基座，筏体和基座尺寸为（长×宽×高）l 700mm ×l900mm×150mm；在ansys提供的单元中，没有符合隔振器要求的单元。

但隔振器的力学模型可以简化为由竖向的线性弹簧和水平两个方向的非线性弹簧与粘滞阻尼器组成，所以可以用若干单元相组合的方式来实现隔振器的模拟。

竖向刚度的线性弹簧可以采用combin14单元模拟。

在两个水平方向可以采用combin40单元模拟，该单元可以引入双线性的强化模型、粘滞阻尼的影响。

这样，一个隔震支座由三个单元所组成，combin40（x方向）、combin40（y方向）、combin14（z方向），三单元不相交的节点约束所有自由度，交点处节点约束转动自由度。

若设为层间隔震垫，则耦合combin14两端的转动自由度（其中一端的节点与下部结构共享）[5]。

浮筏有限元模型见图2。

材料密度设为7800kg/m3，弹性模量设为210gpa，泊松比设为0.3。

3计算结果与分析有很多因素能够影响浮筏系统隔振的性能，包括隔振器的刚度和阻尼、中间质量块与被隔振机组的质量比、弹性基础的刚度、中间质量块的刚度和阻尼、被隔振机组之间的相互影响等等。

本文主要以改变隔振器刚度和阻尼、中间质量块的质量参数为基础，分别计算它们对整个三维复杂弹性耦合隔振系统隔振性能的影响，从而分析浮筏隔振系统设计时各主要参数的一些选取原则。

3.1. 隔振器刚度对系统的影响3.1.1上层隔振器刚度的影响研究保持中间筏体质量和下层隔振器刚度不变，将上层隔振器调整刚度为原来的0.5和2倍，在1-500hz范围内进行谐响应分析得出不同刚度下的振级落差，结果见图3。

上层隔振器刚度增大会使隔振效果变差，并且会使波谷位置向高频区偏移，共振频率也随之增大。

所以上层隔振器刚度减小会使隔振性能提高，但是考虑到系统的稳定性，隔振器刚度也不是越小越好。

3.1.2 下层隔振器刚度的影响研究保持中间筏体质量和上层隔振器刚度不变，将上层隔振器调整刚度为原来的0.5和2倍，在1-500hz范围内进行谐响应分析得出不同刚度下的振级落差，结果见图4。

下层隔振器刚度增大会是隔振效果变差，并且会使波谷位置向高频区偏移，说明刚度增大使共振频率也随之增大了。

而在高频区三种隔振效果差别不大，不如改变上层隔振器刚度时那么明显，说明上层隔振器对系统隔振性能影响要比下层隔振器大。

在选择隔振器刚度时，要尽量使系统固有频率避开系统激振力频率，且刚度不要太大。

3.2 阻尼对隔振系统的影响阻尼的作用主要是衰减沿结构传递的振动能量、减小共振频率附近的振动响应以及降低结构自由振动或冲击引起的振幅，由于阻尼对系统的振动响应有重要影响，因此适当增加系统的阻尼是振动控制的一种重要手段。

本文假设存在比例阻尼：。

系统响应由稳态响应与非稳态响应组成，在阻尼作用下，非稳态响应随时间呈指数衰减，阻尼不同，衰减的速度也不同。

为了研究不同阻尼对系统响应衰减速度的影响，分别计算了β=0.0001，α为0、0.5、3、5时的系统响应。

图5为不同阻尼系数下的振级落差。

由图可知：当阻尼增大时对系统的隔振性能的影响是有利的，因此要尽可能的使阻尼较大些，以提高浮筏系统的隔振性能。

由于非稳态响应对系统会产生不利的影响，所以希望该部分尽可能的小。

阻尼增大虽然不能使受迫振动停息下来，但却可使它的振幅减小。

理论上若阻尼足够大时，则可使共振现象不再出现，而将受迫振动维持在一个不大的振幅上。

3.3筏体质量与机组设备质量比对隔振性能的影响在保证强度足够的情况下，筏体质量与机组设备质量比对隔振性能的影响也是很大的。

选择四种具有代表性的情况，它们的质量比分别为0.2、0.5（原始数据）、1.0、1.5。

图6为不同质量比下的振级落差。

由图6可知：质量比增大会使波谷提前，即是使得系统的共振频率提前，同时也表明在低频区时的隔振效果较好，而在高频区隔振性能稍微变差，但是不同质量比之间的差别并不大。

由于本柴油发电机组是定速运转，其激励力频率可以假设为一定的，那么我们就更加关心低频区的隔振性能，但是综合考虑其他因素，也不能一味的增大系统的质量比。

4 总结1.无论是上层还是下层隔振器刚度的增加都会使隔振性能变差。

故通常把隔振器的刚度要设计的低些，但是考虑到静挠度的影响，也不能把隔振器设计的过软。

2.原则上中间筏体的质量越大越好，但是考虑到结构尺寸和环境因素，以及隔振器的承受能力等多方面因素，筏体质量也不是越大越好。

筏体一般取为机组质量的0.4～1.0倍之间为最佳。

3.隔振系统在不同阻尼情况下振动响应特性是不同的。

在小阻尼情况下，收敛性变差，非稳态响应部分不能予以简单忽略；阻尼增大虽然不能使受迫振动停息下来，但却可使它的振幅减小，理论上若阻尼足够大时，则可使共振现象不再出现，而将受迫振动维持在一个不大的振幅上。

参考文献[1] 杨义顺，陈端石，邹春平，双层隔振系统结构参数改变对结构振动的影响[j]，船舶工程，2004，43-47[2]付建，王永生，魏应三，阻尼对浮筏隔振性能的影响研究[j].船海工程，2011，6：169～172.[3]许江涛，柴油机谐振系统的冲击响应分析[j]南京工业职业技术学院学报，2011，6，9-12[4]马大猷噪声与振动控制工程手册[m]，2002，708-710[5] 李娟，层间隔震结构理论与试验研究[j]，2006年西安建筑科技大学。