船用帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)設(shè)計

2016-08-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

0 引言

在船舶行駛過程中,主機(jī)、發(fā)電機(jī)、螺旋槳、空氣壓縮機(jī)以及各種不同用途的泵浦等動力設(shè)備會產(chǎn)生不同程度的振動,并伴隨有噪聲,隨著科技的進(jìn)步,船舶動力設(shè)備不斷地向著高效率、大功率的方向發(fā)展,其產(chǎn)生的振動和噪聲所帶來的危害已引起人們的關(guān)注.

浮筏隔振系統(tǒng)因其隔振性能良好、設(shè)計靈活多變,目前已經(jīng)成為國內(nèi)外振動噪聲控制研究的熱點,在理論方面,王成剛等3建立浮筏隔振系統(tǒng)六自由度耦合動力學(xué)方程,將浮筏和基礎(chǔ)作剛性處理,并分析系統(tǒng)振動傳遞響應(yīng)特性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)筏體結(jié)構(gòu)較大時筏架的彈性作用開始出現(xiàn).江國和等采用三維彈性浮筏隔振系統(tǒng)模型對隔振性能進(jìn)行分析,并提出提高隔振性能的方法.況成玉等提出一種周期性桁架浮筏系統(tǒng),并對其隔振特性進(jìn)行研究.帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)就是在傳統(tǒng)浮筏隔振系統(tǒng)的中間浮筏上安裝隔聲罩,隔聲罩與中間浮筏之間進(jìn)行彈性支撐處理,將空壓機(jī)組和相應(yīng)附屬管系安裝在隔聲罩內(nèi),通過中間浮筏和隔振器進(jìn)行隔振,實現(xiàn)振動和噪聲的控制.

本文以上海海事大學(xué)自動化機(jī)艙中的WP135型船用空壓機(jī)組為研究對象,設(shè)計帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng),研究管系和多擾動源對該系統(tǒng)隔振性能的影響.WP135型空壓機(jī)是立式單列單缸二級差動水冷式的,軸功率26kW,曲軸轉(zhuǎn)速970r/mm,凈重400kg;空壓機(jī)外形尺寸640mmx763mm×1187mm;配套電機(jī)型號Y200L-6-H,額定容量30kW,額定轉(zhuǎn)速970r/min,凈重300kg;整體機(jī)組外形尺寸1465mm×840mmxl370mm;整體機(jī)組凈重1000kg.

1 帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)總體設(shè)計

考慮實際基礎(chǔ)的彈性影響,將空壓機(jī)組作剛性設(shè)備處理,浮筏作彈性體處理,建立帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型.

1.1 空壓機(jī)組建模

空壓機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜,剛度較大,在建模過程中,將整個空壓機(jī)分成11部分,在ANSYS中進(jìn)行單獨建模,再通過ANSYS中的ADD命令進(jìn)行布爾運算,這樣能夠提高所建空壓機(jī)模型的準(zhǔn)確性.在遵循尺寸不變、質(zhì)量不變的情況下,用Solid45單元進(jìn)行空壓機(jī)建模.網(wǎng)格精度為0.05m,空壓機(jī)整體體積為0.265m

.單個空壓機(jī)的實體模型和有限元模型見圖1.

1.2 中間浮筏設(shè)計建模

浮筏設(shè)計成板式結(jié)構(gòu),由0.01m厚的多塊鋼板焊接而成,浮筏的尺寸為2.6mxl.8mx0.2m,筏體形狀為對稱性的平板架式,上下層鋼板通過中間厚0.01m的肋板焊接而成,長度方向上有4個肋板,寬度方向上有3個肋板(結(jié)構(gòu)材料為鋼,彈性模量為2.1×10

Pa,泊松比為0.3,密度為7800kg/m

),總體積為0.1236m

,總質(zhì)量為964kg.浮筏與機(jī)組的質(zhì)量比一般為0.4-1.O,本文選取的質(zhì)量比為0.482.通過改變鋼板的厚度可以改變中間浮筏的質(zhì)量,整個浮筏采用Solid45實體單元進(jìn)行建模,網(wǎng)格精度為0.1m.中間浮筏模型見圖2.

1.3 彈性基礎(chǔ)設(shè)計建模

彈性基礎(chǔ)采用的板架結(jié)構(gòu)由0.01m厚的多塊鋼板焊接而成.彈性基礎(chǔ)的尺寸為2.6mxl.8m×0.1m,彈性基礎(chǔ)形狀為對稱性的平板架式,上下層鋼板通過中間厚0.01m的肋板焊接而成,長度方向上有4塊肋板,寬度方向上有3塊肋板,整個彈性基礎(chǔ)采用Solid45實體單元進(jìn)行建模,網(wǎng)格精度為0.1m,彈性模量為2.1×10

Pa,泊松比為0.3,密度為7800kg/m

.整個彈性基礎(chǔ)模型見圖3.

1.4上、下層隔振器設(shè)計建模

浮筏上面布置兩臺空壓機(jī),每臺空壓機(jī)下面安裝6個ZTG-400型橡膠隔振器與浮筏相連接,每個隔振器的橫向和縱向剛度為6×10

N/m,阻尼為2x10

N?s/m,垂向剛度為1.5×10

N/m,阻尼為2.5×10

N?s/m.基礎(chǔ)上面布置6個JSD-1250型橡膠隔振器與浮筏相連接,每個隔振器的橫向和縱向剛度為1×10

N/m,阻尼為6x10

N?s/m,垂向剛度為2×10

N/m,阻尼為8x10

N?s/m.浮筏系統(tǒng)的設(shè)計以追求大剛度為第一目標(biāo),橫向和縱向剛度應(yīng)不大于垂向剛度,上層隔振器的靜撓度應(yīng)比下層隔振器的靜撓度小.隔振器的布置見圖4.

隔振器采用Combin14彈簧一阻尼單元建模,單元每個節(jié)點有3個自由度,繞節(jié)點x,y,z方向轉(zhuǎn)動.本文采用3D軸向彈簧模擬隔振器x,y,z方向上的剛度和阻尼.

1.5 空壓機(jī)組的擾動力

1.5.1 電機(jī)擾動力

WP135型空壓機(jī)配套電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為970r/min,根據(jù)我國《動力機(jī)械及其基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》:規(guī)定:當(dāng)動力機(jī)械工作轉(zhuǎn)速大于750r/min、小于1000r/mm時,可根據(jù)以下公式進(jìn)行擾動力計算:

通過計算對比發(fā)現(xiàn),空壓機(jī)的一階氣缸爆發(fā)壓力所引起的振動遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空壓機(jī)的不平衡離心力所引起的振動,

綜合以上空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)各部分的建模,浮筏隔振系統(tǒng)模型見圖5.

1.6隔聲罩設(shè)計建模

隔聲罩為雙層結(jié)構(gòu),尺寸為2.6mxl.8m×1.6m.表面為3mm厚的鋼板,內(nèi)壁敷設(shè)47mm厚的阻尼和吸聲材料,以抑制共振和駐波效應(yīng).隔聲罩整體質(zhì)量為440kg.帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)見圖6.

隔聲罩采用Solid45實體單元進(jìn)行建模,圖7是帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)模型,忽略了隔聲罩上的孔洞、維修門以及內(nèi)部加筋.對該系統(tǒng)中的管系建模時,在管系相應(yīng)位置建立撓性連接件模型.這些撓性連接件本身有一定的剛度,當(dāng)空壓機(jī)產(chǎn)生位移時,這些撓性連接件會增加系統(tǒng)剛度.管路選用不銹鋼波紋管,型號為AD54.5,公稱直徑為65mm.軸向壓縮量為20mm.假設(shè)每個管路有3個方向上的剛度,選用Combin14單元進(jìn)行建模,每個連接處建立3個方向的Combin14單元,分別模擬管路的x,y,z方向上的剛度,剛度為3.38×10

N/m.內(nèi)部撓性管系單元見圖8.

2 帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)模態(tài)分析該系統(tǒng)作為一種有效的振動、噪聲控制系統(tǒng)已被大家關(guān)注,系統(tǒng)中的參數(shù)對隔振、降噪性能的影響已有人研究過,但是很少有人考慮該系統(tǒng)的連接管系.本文對該系統(tǒng)加裝管系和未加裝管系兩種情況進(jìn)行模態(tài)分析.

模態(tài)分析是從原始參數(shù)(結(jié)構(gòu)特性、材料特性等)開始計算,運用有限元法形成整個系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣的離散數(shù)學(xué)模型,再求解特征值,確定模態(tài)參數(shù).

任意一個系統(tǒng)振動模態(tài)分析基本方程為

對系統(tǒng)進(jìn)行整體模態(tài)分析時,忽略其所受的外部載荷,對彈性基礎(chǔ)對稱的兩面施加全自由度約束,采用Subspace方法對該系統(tǒng)提取前12階和部分高階模態(tài)進(jìn)行分析,比較管系對該系統(tǒng)固有頻率的影響.

表1是該系統(tǒng)前20階固有頻率及振型.圖9是該系統(tǒng)前18階固有頻率變化曲線,由圖9可以看出,加裝管系的帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)各階固有頻率比未加裝管系的各階頻率高,但是頻率變化不大,圖10是該系統(tǒng)某幾階振型圖.考慮到整個系統(tǒng)的對稱性,有時候固有頻率會以兩個相近頻率成對出現(xiàn),但是振型不同,整體振型主要體現(xiàn)為平搖和縱搖.空壓機(jī)的擾動力頻率是16.2Hz,擾動力頻率處于帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)的第11階與第12階固有頻率之間,能夠避開擾動頻率,第11階和第12階振型是縱搖,可能引起共振,但整體振動不大,可以通過結(jié)構(gòu)加肋或改變板厚等使其固有頻率避開擾動頻率.

3 帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)諧響應(yīng)分析

任意一個系統(tǒng)周期載荷下振動諧響應(yīng)分析基本運動方程為

對前面建立的帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析,在對各子系統(tǒng)進(jìn)行振動響應(yīng)分析時,選取點a(上層隔振器與機(jī)組的連接處,見圖6)和點b(下層隔振器與基礎(chǔ)的連接處,見圖6)振動響應(yīng)代表空壓機(jī)組和基礎(chǔ)的振動響應(yīng).

3.1 附屬管系對系統(tǒng)隔振性能的影響

以往人們對帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析時,常常忽略機(jī)械設(shè)備附屬管系,這對整體隔振效果的評定造成影響.本文對比雙機(jī)組擾動下未考慮管系和考慮管系的兩種帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng),計算空壓機(jī)組和基礎(chǔ)的振動位移響應(yīng),并對這兩種情況下隔振系統(tǒng)的振級落差進(jìn)行對比.對該系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析時,在兩個空壓機(jī)底板中心位置分別施加激勵,頻率范圍是O-1000Hz,步長為2Hz,運用完全法分析該系統(tǒng)的諧響應(yīng).

管系對系統(tǒng)隔振性能影響見圖11.從圖11可以看出,彈性管系的添加使空壓機(jī)組和基礎(chǔ)的振動響應(yīng)減小,能夠在大多數(shù)頻率范圍內(nèi)提高隔振性能.空壓機(jī)組和基礎(chǔ)的振動大部分集中在低頻區(qū)域,高頻區(qū)域的振動響應(yīng)比較小,

管系影響下系統(tǒng)的振級落差見圖12.從圖12可以看出:在O-250Hz的低頻階段,考慮管系的隔振系統(tǒng)的隔振性能比未考慮管系的好;在250-600Hz的中頻階段,考慮管系的隔振系統(tǒng)的隔振性能略差于未考慮管系的;在600-700Hz階段,考慮管系的隔振系統(tǒng)的隔振性能明顯優(yōu)于未考慮管系的;在700-1000Hz的高頻階段,兩種隔振系統(tǒng)的隔振性能交替變好.總體來講,考慮管系的系統(tǒng)的隔振性能要好于未考慮管系的,通過對分析的頻率范圍內(nèi)振級落差值進(jìn)行疊加計算,考慮管系的系統(tǒng)的振級落差比未考慮管系的平均高1.1dB,這可能與管系的彈性連接和特有屬性有關(guān).整體隔振量在45dB左右,說明此帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)隔振性能良好.

3.2 多擾動源對系統(tǒng)隔振性能的影響

帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)的一大特點就是兩臺空壓機(jī)安裝在同一中間浮筏上.在大多數(shù)情況下,一臺空壓機(jī)單獨工作就能提供足量的壓縮空氣,但是當(dāng)船舶在進(jìn)、出港等用氣量較大的場合,一臺空壓機(jī)工作無法滿足用氣量的需要(空氣瓶壓力下降到2.4MPa)時,另一臺空壓機(jī)將自動起動投入工作,這時就要考慮單擾動源和多擾動源對該系統(tǒng)隔振性能的影響,

本文對比單一擾動源和多擾動源下帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)的隔振效果,計算空壓機(jī)組和基礎(chǔ)的振動位移響應(yīng),并對這兩種情況下隔振系統(tǒng)的振級落差進(jìn)行對比.對該系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析時,在兩個空壓機(jī)底板中心位置分別施加激勵,頻率范圍為O-1000 Hz,步長為2Hz,運用完全法分析該系統(tǒng)的諧響應(yīng).

多擾動源對系統(tǒng)隔振性能的影響見圖13.從圖13可以看出,擾動源的多少對系統(tǒng)隔振性能影響不大,無論是空壓機(jī)組的振動還是基礎(chǔ)的振動都變化不大.

多擾動源下系統(tǒng)的振級落差見圖14.從圖14可以看出,擾動源的多少對系統(tǒng)隔振性能影響不大,只是在少數(shù)頻率下振級落差有微小的變化.整體隔振性能在45dB左右,最高隔振量能達(dá)到93dB,說明帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)無論是在單一擾動下還是多擾動下隔振性能都良好.

4 結(jié)論

設(shè)計帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng),運用ANSYS建立該系統(tǒng)的整體有限元模型,對整個系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,得出結(jié)論:該系統(tǒng)能夠有效地降低空壓機(jī)組的振動,平均隔振量能夠達(dá)到45dB,符合設(shè)計要求;空間管系能夠提高系統(tǒng)整體的固有頻率,并且能夠提高該系統(tǒng)整體的隔振效果(平均能提高1.1dB);擾動源的多少對系統(tǒng)隔振性能影響不大,只是在少數(shù)頻率下振級落差有微小的變化,

所設(shè)計的帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)能夠提高船用空壓機(jī)組的隔振性能.

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