楊 波，朱 翔，張贛波

1 海軍駐廣州廣船國際股份有限公司軍事代表室，廣東廣州510382

2 華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢430074

0 引 言

在機(jī)械噪聲得到有效控制后，管路系統(tǒng)便成為艦船重要的振動(dòng)噪聲源［1-2］，大量文獻(xiàn)針對管路系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲問題開展過研究［3-4］，在管路系統(tǒng)中已采取多種措施降低管路的振動(dòng)與噪聲，比如管路彈性穿艙件［5］、撓性接管［6-7］和海水消聲器［8］等。泵［9-10］和閥門［11-12］作為管路中必不可少的元件，也是管路系統(tǒng)中主要的激勵(lì)源之一。艦船結(jié)構(gòu)上的管路復(fù)雜，有些區(qū)域?yàn)楸阌谥圃彀惭b，會(huì)將一系列類似的管路閥門組成一組，形成閥組單元并安裝在同一個(gè)閥組架上，然后閥組架再與船體結(jié)構(gòu)相連。流體流經(jīng)閥門時(shí)，會(huì)激勵(lì)閥門及管路閥架，并將振動(dòng)通過閥組架傳遞給船體結(jié)構(gòu)。閥組單元的結(jié)構(gòu)形式直接決定了閥組單元的聲振特性。現(xiàn)在某液壓海水管路系統(tǒng)中，由于閥組單元振動(dòng)過大，振級偏高，因此需要對其振動(dòng)特性進(jìn)行分析，并通過仿真對閥組架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以降低通過閥組單元傳遞到船體上的聲振動(dòng)，為艦船減振降噪提供有益的借鑒。

1 閥組單元有限元建模及振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算

1.1 閥組單元有限元建模

在有限元軟件ANSYS 中建立閥組單元的有限元模型。在閥組單元中，采用SOLID45 實(shí)體單元模擬閥，并在建模過程中對其進(jìn)行適當(dāng)簡化?？紤]到建模的一致性，固定和支撐閥的閥組架也采用SOLID45 實(shí)體單元模擬。圖1 給出了閥組的有限元模型，閥組架上有5 個(gè)閥，其中連接閥的管路未建出。閥組架一般為角鋼焊接而成的框架結(jié)構(gòu)，閥則通過夾環(huán)固定在閥組架上并與管路聯(lián)通。閥組架焊接在船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)上，建模時(shí)，假設(shè)閥組架的邊界為固支邊界條件。初始閥組單元的結(jié)構(gòu)尺寸為：閥架臂長H = 0.60 m，閥間距L =0.16 m，角鋼尺寸規(guī)格為50 mm ×50 mm ×4 mm。

圖1 閥組單元有限元模型Fig.1 FE model of pipeline valve units

1.2 閥組單元振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算

在實(shí)際管路系統(tǒng)中，閥的激勵(lì)源特性往往比較復(fù)雜，作為仿真計(jì)算和方案對比分析，對振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行了必要的簡化。假設(shè)激勵(lì)力為單位大小，方向分別為水平和垂直方向，如圖2 所示。

圖2 施加激勵(lì)力方向Fig.2 Direction of applied load

在閥組架上選取5 個(gè)測點(diǎn)用于振動(dòng)響應(yīng)的評估，如圖3 所示。其中測點(diǎn)1，5 是閥組架與船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)連接處閥架的折邊角點(diǎn)，測點(diǎn)2，3，4 分布在閥組架上。因?yàn)閭鬟f到船體的振動(dòng)對船舶的振動(dòng)與噪聲更為重要，因此，以測點(diǎn)1，5 的振級為主要指標(biāo)，輔之比較測點(diǎn)2，3，4 的振級。

圖3 測點(diǎn)示意圖Fig.3 Arrangement plan of measured point

在3 個(gè)閥上分別施加垂直和水平方向的激勵(lì)力，得到各測點(diǎn)在各個(gè)方向的合成振動(dòng)加速度級，激勵(lì)頻率范圍為10～1 000 Hz，然后，再對此頻段內(nèi)的振級進(jìn)行能量求和，得到頻帶內(nèi)的總振級。

計(jì)算得到了原始閥組單元在1 號、2 號和3 號閥的垂直與水平方向激勵(lì)下振動(dòng)的加速度級，如表1 所示。

表1 初始閥組單元各測點(diǎn)振級Tab.1 Vibration levels of every measured points in original valve units

由表1 可以看出，初始閥組單元各測點(diǎn)的振級都偏高。以計(jì)算出的原始閥組聲振性能為參考，可以通過改變閥組單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)來改善閥組單元的聲振特性。

2 閥組單元結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

根據(jù)實(shí)際情況可知，閥組單元可改變的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括閥架臂長、閥的布置間距和閥架角鋼型號。現(xiàn)通過改變閥組單元的閥架臂長、閥的布置間距和閥架角鋼型號三組結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究這些參數(shù)變化對閥組單元聲振性能的影響來選出振級較小的閥組單元結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 閥架臂長對閥組單元聲振性能的影響

閥組架近似為懸臂梁結(jié)構(gòu)，在很小的激勵(lì)作用下也會(huì)產(chǎn)生較大的振幅。對于懸臂梁結(jié)構(gòu)，臂長是影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的主要參數(shù)，故有必要研究不同閥組架臂長對結(jié)構(gòu)聲振特性的影響，選出合適的閥組架臂長尺寸。

根據(jù)實(shí)際的空間布置情況，選擇H = 0.50，0.55，0.60，0.65，0.70 m 這5個(gè)尺寸作為研究對象，計(jì)算得到各測點(diǎn)在不同位置和方向激勵(lì)下的振動(dòng)加速度級。圖4 給出了在其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變的情況下，閥架臂長變化時(shí)各測點(diǎn)的振級。

圖4 改變閥架臂長時(shí)各測點(diǎn)振級Fig.4 Vibration level of measured points with the change of length of valve unit’s frame

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閥架臂長H =0.55 m 時(shí)，各測點(diǎn)的振級相對最小。在其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變（閥間距0.16 m，角鋼尺寸規(guī)格50 mm × 50 mm×4 mm）的情況下，可選用0.55 m 的閥架臂長作為優(yōu)化尺寸。

限于篇幅，僅給出了在1 號閥位置進(jìn)行垂向激勵(lì)的情況，其他位置和方向激勵(lì)的結(jié)果類似。

2.2 閥布置間距對閥組單元聲振性能的影響

在實(shí)際工程中，閥間距的選擇具有很大的隨意性。在有限的布置空間內(nèi)，施工人員按照閥的最小間距比，并考慮方便操作以及美觀等因素來進(jìn)行閥的安裝，閥的安裝間距主要由施工人員的經(jīng)驗(yàn)決定。因此，研究不同閥間距對閥組單元的聲振性能影響是很有必要的。為此，選用了L =0.16，0.18，0.20，0.22，0.24 m 這5 個(gè)閥間距作為研究對象。圖5 給出了在其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變時(shí)，閥間距變化時(shí)各測點(diǎn)的振級結(jié)果。

圖5 改變閥組間距時(shí)各測點(diǎn)振級Fig.5 Vibration level of measured points with the change of valves’distance

綜合比較可知，當(dāng)閥間距L = 0.18 m 時(shí)，各測點(diǎn)的振級相對最小。在其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變（閥架臂長0.60 m，角鋼尺寸規(guī)格50 mm ×50 mm×4 mm）的情況下，可選用0.18 m 作為優(yōu)化的閥間距。

2.3 閥架角鋼尺寸規(guī)格對閥組單元聲振性能的影響

閥組架剛度在很大程度上會(huì)影響閥組單元的聲振性能，而制造閥組架的角鋼尺寸規(guī)格則直接影響閥組架的剛度。因此，需要研究閥組架角鋼尺寸規(guī)格對閥組單元聲振特性的影響。

根據(jù)實(shí)際常用的角鋼型號，選用40 mm × 40 mm × 4 mm，45 mm × 45 mm × 4 mm，50 mm × 50 mm × 4 mm，56 mm × 56 mm × 4mm 和63 mm × 63 mm × 4 mm 這5 種尺寸規(guī)格的角鋼材料作為研究對象，計(jì)算得到各測點(diǎn)在1，2，3 號閥的垂直與水平方向激勵(lì)下的振動(dòng)加速度級。圖6 給出了在其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變時(shí)，閥組架角鋼尺寸變化時(shí)各測點(diǎn)的振級。

圖6 改變角鋼尺寸時(shí)各測點(diǎn)振級Fig.6 Vibration level of measured points with the changing of the beam size

由圖6 可以發(fā)現(xiàn)，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變（閥架臂長0.60 m，閥間距0.16 m）的情況下，閥組架角鋼尺寸的變化沒有其他2 種參數(shù)變化時(shí)對聲振特性的影響大。綜合比較可見，型號為40 mm×40 mm×4 mm 的角鋼尺寸規(guī)格使得結(jié)構(gòu)的振級最小。

2.4 組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)對閥組單元聲振性能的影響

上述分析都只是改變閥組單元結(jié)構(gòu)的一個(gè)尺寸參數(shù)，還需要分析各尺寸參數(shù)變化對閥組單元聲振性能的綜合影響。綜合以上分析，給出了4種不同的組合結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表2 所示。

表2 閥組單元組合變化方案列表Tab.2 Cases of valve unit frame with different parameters

對組合參數(shù)的閥組單元進(jìn)行計(jì)算，得到了各測點(diǎn)振級。圖7 所示為在組合參數(shù)情況下的各測點(diǎn)振級。因測點(diǎn)1，5 在閥架與船體結(jié)構(gòu)連接處，閥組單元的振動(dòng)會(huì)通過閥架傳遞到船體上，故側(cè)重比較測點(diǎn)1，5 的振級。綜合比較可以看出，第4種組合方案中，閥組單元測點(diǎn)1，5 的振級均為最小。組合方案4 中，各測點(diǎn)的振級比原始方案均至少低10 dB，靠近船體的測點(diǎn)1，5 的振級甚至比原始方案低30 dB。故選擇閥架臂長H = 0.55 m，閥間距L = 0.18 m，閥架角鋼尺寸規(guī)格40 mm ×40 mm ×4 mm 為閥組單元的綜合結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)。

圖7 不同組合方案時(shí)各測點(diǎn)振級Fig.7 Vibration level of measured points in different cases

3 結(jié) 論

通過以上分別對閥架臂長、閥布置間距以及閥架角鋼尺寸等參數(shù)變化對閥組單元聲振特性影響的分析，可得到以下結(jié)論：

1）在各種不同位置激勵(lì)時(shí)，無論是改變閥架臂長、閥布置間距還是閥架角鋼尺寸，閥組模型均為：在閥組架與船體結(jié)構(gòu)相連的附近，其測點(diǎn)（測點(diǎn)1，5）振級最??；在激勵(lì)點(diǎn)附近（測點(diǎn)3）和閥架的懸臂處（測點(diǎn)2，4），振級相對較大。這表明閥組單元振動(dòng)能量的傳遞路徑為閥—閥架—船體結(jié)構(gòu)，這與理論分析相吻合。

2）通過單獨(dú)改變閥架臂長參數(shù)、閥的間距和閥架角鋼尺寸均可以發(fā)現(xiàn)，測點(diǎn)振級隨單一參數(shù)改變而引起的變化趨勢并非為單調(diào)變化，這是由于改變這些參數(shù)后，整個(gè)閥組架這一連續(xù)系統(tǒng)固有的頻率和剛度均有變化，其聲振特性與閥架臂長等參數(shù)間的影響規(guī)律很復(fù)雜，無法得出閥組振級與參數(shù)間的單一變化規(guī)律。

3）從測點(diǎn)總振級隨閥架臂長變化的曲線可見，閥架的振級對閥架臂長的變化較為敏感，臂長參數(shù)的改變可能會(huì)引起閥架振級的顯著變化。與閥架臂長改變引起測點(diǎn)振級變化的敏感程度相比，閥組間距隨步長的變化以及閥組角鋼尺寸變化所引起的同一測點(diǎn)總振級的變化則不是特別明顯。

4）在加工制造管路閥組架時(shí)，對閥架臂長的確定需更為慎重。首先，可以通過調(diào)整合適的閥架臂長得到振動(dòng)相對較優(yōu)的閥架結(jié)構(gòu)，然后，再進(jìn)一步改變閥組間距和角鋼尺寸，得到更為優(yōu)化的閥組架。

5）從選取的幾種組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)計(jì)算結(jié)果來看，方案4（閥架臂長0.55 m，閥間距0.18 m，閥架角鋼尺寸規(guī)格為40 mm × 40 mm × 4 mm）在典型測點(diǎn)的振級均比其他各方案的小，比原始方案至少小10 dB，這組參數(shù)可以作為該管路閥組的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)。相關(guān)的結(jié)論可以在模擬試驗(yàn)臺架中進(jìn)行驗(yàn)證。該方法也可以用于其他類似的閥組結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，以提高低噪聲建造的工藝水平。

［1］何琳. 潛艇聲隱身技術(shù)進(jìn)展［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)，2006，28（增刊2）：9-17.HE Lin. Development of submarine acoustic stealth technology［J］. Ship Science and Technology，2006，28（s2）：9-17.

［2］梁向東. 管路振動(dòng)噪聲對船舶總體聲隱身特性的影響［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2010，30（6）：127-128，135.LIANG Xiangdong. Influence of pipeline's vibration noise on acoustic steal nature of ships［J］. Noise and Vibration Control，2010，30（6）：127-128，135.

［3］李偉剛，王春健，李兵尚. 潛艇液壓系統(tǒng)管路振動(dòng)與噪聲的分析控制［J］. 機(jī)床與液壓，2011，39（14）：70-71，105.LI Weigang，WANG Chunjian，LI Bingshang. Analysis and control on vibration and noise of pipeline in subma?rine hydraulic system［J］. Machine Tool and Hydrau?lics，2011，39（14）：70-71，105.

［4］梁向東. 船舶管路中高頻振動(dòng)成因分析及控制策略研究［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2009，29（3）：101-103.LIANG Xiangdong. Cause analysis of high and medium frequency vibration in ship pipelines and its control scheme［J］. Noise and Vibration Control，2009，29（3）：101-103.

［5］彭云飛，何海洋，黎申，等.管路彈性穿艙件減振機(jī)理研究及仿真分析［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33（8）：119-122.PENG Yunfei，HE Haiyang，LI Shen，et al. Research on the vibration reduction mechanism of elastic pipe penetration piece and simulation［J］. Ship Science and Technology，2011，33（8）：119-122.

［6］柴小文. 艦船用撓性接管技術(shù)現(xiàn)狀和進(jìn)展［J］. 噪聲與振動(dòng)控制，2007，27（5）：13-16.CHAI Xiaowen. The technological status and develop?ment of flexible rubber pipe and bellows in ship［J］.Noise and Vibration Control，2007，27（5）：13-16.

［7］ZHENG G T，TU Y Q.Analytical study of vibration iso?lation between a pair of flexible structures［J］. Journal of Vibration and Acoustics，2009，131（2）：1006-1016.

［8］周海波，李天勻，朱翔，等.內(nèi)覆防水吸聲層的海水消聲器聲學(xué)性能計(jì)算［J］. 中國艦船研究，2009，4（3）：8-12.ZHOU Haibo，LI Tianyun，ZHU Xiang，et al. Computa?tion of acoustic characteristics of seawater muffler with waterproof and sound absorption layers［J］. Chinese Journal of Ship Research，2009，4（3）：8-12.

［9］黃國富，常煜，張海民，等.低振動(dòng)噪聲船用離心泵的水力設(shè)計(jì)［J］.船舶力學(xué)，2009，13（2）：313-318.HUANG Guofu，CHANG Yu，ZHANG Haimin，et al.Hydraulic redesign on a marine centrifugal pump for hydro-borne vibration and noise reduction［J］. Journal of Ship Mechanics，2009，13（2）：313-318.

［10］SPENCE R，TEIXEIRA J A. A CFD parametric study of geometrical variations on the pressure pulsations and performance characteristics of a centrifugal pump［J］.Computers and Fluids，2009，38（6）：1243-1257.

［11］江山，張京偉，吳崇健，等. 通海閥內(nèi)流場的三維數(shù)值模擬［J］.中國艦船研究，2009，4（2）：37-41.JIANG Shan，ZHANG Jingwei，WU Chongjian，et al.Three dimensional numerical simulation of flow fields inside sea suction valve［J］. Chinese Journal of Ship Research，2009，4（2）：37-41.

［12］王詡. 蒸汽管路閥門流動(dòng)與噪聲源特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.