船用帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

0 引言

在船舶行駛過(guò)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(dòng)力設(shè)備會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng),并伴隨有噪聲,隨著科技的進(jìn)步,船舶動(dòng)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(dòng)和噪聲所帶來(lái)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(jì)靈活多變,目前已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外振動(dòng)噪聲控制研究的熱點(diǎn),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(dòng)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(dòng)傳遞響應(yīng)特性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)筏體結(jié)構(gòu)較大時(shí)筏架的彈性作用開始出現(xiàn).江國(guó)和等采用三維彈性浮筏隔振系統(tǒng)模型對(duì)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(duì)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(guò)中間浮筏和隔振器進(jìn)行隔振,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)和噪聲的控制.

本文以上海海事大學(xué)自動(dòng)化機(jī)艙中的WP135型船用空壓機(jī)組為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng),研究管系和多擾動(dòng)源對(duì)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(jí)差動(dòng)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(hào)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(jì)

考慮實(shí)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(guò)程中,將整個(gè)空壓機(jī)分成11部分,在ANSYS中進(jìn)行單獨(dú)建模,再通過(guò)ANSYS中的ADD命令進(jìn)行布爾運(yùn)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(gè)空壓機(jī)的實(shí)體模型和有限元模型見(jiàn)圖1.

1.2 中間浮筏設(shè)計(jì)建模

浮筏設(shè)計(jì)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(duì)稱性的平板架式,上下層鋼板通過(guò)中間厚0.01m的肋板焊接而成,長(zhǎng)度方向上有4個(gè)肋板,寬度方向上有3個(gè)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(guò)改變鋼板的厚度可以改變中間浮筏的質(zhì)量,整個(gè)浮筏采用Solid45實(shí)體單元進(jìn)行建模,網(wǎng)格精度為0.1m.中間浮筏模型見(jiàn)圖2.

1.3 彈性基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(duì)稱性的平板架式,上下層鋼板通過(guò)中間厚0.01m的肋板焊接而成,長(zhǎng)度方向上有4塊肋板,寬度方向上有3塊肋板,整個(gè)彈性基礎(chǔ)采用Solid45實(shí)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(gè)彈性基礎(chǔ)模型見(jiàn)圖3.

1.4上、下層隔振器設(shè)計(jì)建模

浮筏上面布置兩臺(tái)空壓機(jī),每臺(tái)空壓機(jī)下面安裝6個(gè)ZTG-400型橡膠隔振器與浮筏相連接,每個(gè)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(gè)JSD-1250型橡膠隔振器與浮筏相連接,每個(gè)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(jì)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(jiàn)圖4.

隔振器采用Combin14彈簧一阻尼單元建模,單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度,繞節(jié)點(diǎn)x,y,z方向轉(zhuǎn)動(dòng).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(dòng)力

1.5.1 電機(jī)擾動(dòng)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(guó)《動(dòng)力機(jī)械及其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》:規(guī)定:當(dāng)動(dòng)力機(jī)械工作轉(zhuǎn)速大于750r/min、小于1000r/mm時(shí),可根據(jù)以下公式進(jìn)行擾動(dòng)力計(jì)算:

通過(guò)計(jì)算對(duì)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(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空壓機(jī)的不平衡離心力所引起的振動(dòng),

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(jiàn)圖5.

1.6隔聲罩設(shè)計(jì)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(jiàn)圖6.

隔聲罩采用Solid45實(shí)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(duì)該系統(tǒng)中的管系建模時(shí),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(shí),這些撓性連接件會(huì)增加系統(tǒng)剛度.管路選用不銹鋼波紋管,型號(hào)為AD54.5,公稱直徑為65mm.軸向壓縮量為20mm.假設(shè)每個(gè)管路有3個(gè)方向上的剛度,選用Combin14單元進(jìn)行建模,每個(gè)連接處建立3個(gè)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(jiàn)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(dòng)、噪聲控制系統(tǒng)已被大家關(guān)注,系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)隔振、降噪性能的影響已有人研究過(guò),但是很少有人考慮該系統(tǒng)的連接管系.本文對(duì)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(jì)算,運(yùn)用有限元法形成整個(gè)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(gè)系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)分析基本方程為

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體模態(tài)分析時(shí),忽略其所受的外部載荷,對(duì)彈性基礎(chǔ)對(duì)稱的兩面施加全自由度約束,采用Subspace方法對(duì)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(duì)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(gè)系統(tǒng)的對(duì)稱性,有時(shí)候固有頻率會(huì)以兩個(gè)相近頻率成對(duì)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(dòng)力頻率是16.2Hz,擾動(dòng)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(dòng)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(dòng)不大,可以通過(guò)結(jié)構(gòu)加肋或改變板厚等使其固有頻率避開擾動(dòng)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(gè)系統(tǒng)周期載荷下振動(dòng)諧響應(yīng)分析基本運(yùn)動(dòng)方程為

對(duì)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(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析時(shí),選取點(diǎn)a(上層隔振器與機(jī)組的連接處,見(jiàn)圖6)和點(diǎn)b(下層隔振器與基礎(chǔ)的連接處,見(jiàn)圖6)振動(dòng)響應(yīng)代表空壓機(jī)組和基礎(chǔ)的振動(dòng)響應(yīng).

3.1 附屬管系對(duì)系統(tǒng)隔振性能的影響

以往人們對(duì)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(shí),常常忽略機(jī)械設(shè)備附屬管系,這對(duì)整體隔振效果的評(píng)定造成影響.本文對(duì)比雙機(jī)組擾動(dòng)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(jì)算空壓機(jī)組和基礎(chǔ)的振動(dòng)位移響應(yīng),并對(duì)這兩種情況下隔振系統(tǒng)的振級(jí)落差進(jìn)行對(duì)比.對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析時(shí),在兩個(gè)空壓機(jī)底板中心位置分別施加激勵(lì),頻率范圍是O-1000Hz,步長(zhǎng)為2Hz,運(yùn)用完全法分析該系統(tǒng)的諧響應(yīng).

管系對(duì)系統(tǒng)隔振性能影響見(jiàn)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(dòng)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(dòng)大部分集中在低頻區(qū)域,高頻區(qū)域的振動(dòng)響應(yīng)比較小,

管系影響下系統(tǒng)的振級(jí)落差見(jiàn)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(lái)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(guò)對(duì)分析的頻率范圍內(nèi)振級(jí)落差值進(jìn)行疊加計(jì)算,考慮管系的系統(tǒng)的振級(jí)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(shuō)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(dòng)源對(duì)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(diǎn)就是兩臺(tái)空壓機(jī)安裝在同一中間浮筏上.在大多數(shù)情況下,一臺(tái)空壓機(jī)單獨(dú)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(chǎng)合,一臺(tái)空壓機(jī)工作無(wú)法滿足用氣量的需要(空氣瓶壓力下降到2.4MPa)時(shí),另一臺(tái)空壓機(jī)將自動(dòng)起動(dòng)投入工作,這時(shí)就要考慮單擾動(dòng)源和多擾動(dòng)源對(duì)該系統(tǒng)隔振性能的影響,

本文對(duì)比單一擾動(dòng)源和多擾動(dòng)源下帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)的隔振效果,計(jì)算空壓機(jī)組和基礎(chǔ)的振動(dòng)位移響應(yīng),并對(duì)這兩種情況下隔振系統(tǒng)的振級(jí)落差進(jìn)行對(duì)比.對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析時(shí),在兩個(gè)空壓機(jī)底板中心位置分別施加激勵(lì),頻率范圍為O-1000 Hz,步長(zhǎng)為2Hz,運(yùn)用完全法分析該系統(tǒng)的諧響應(yīng).

多擾動(dòng)源對(duì)系統(tǒng)隔振性能的影響見(jiàn)圖13.從圖13可以看出,擾動(dòng)源的多少對(duì)系統(tǒng)隔振性能影響不大,無(wú)論是空壓機(jī)組的振動(dòng)還是基礎(chǔ)的振動(dòng)都變化不大.

多擾動(dòng)源下系統(tǒng)的振級(jí)落差見(jiàn)圖14.從圖14可以看出,擾動(dòng)源的多少對(duì)系統(tǒng)隔振性能影響不大,只是在少數(shù)頻率下振級(jí)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(shuō)明帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng)無(wú)論是在單一擾動(dòng)下還是多擾動(dòng)下隔振性能都良好.

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)帶隔聲罩空壓機(jī)組浮筏隔振系統(tǒng),運(yùn)用ANSYS建立該系統(tǒng)的整體有限元模型,對(duì)整個(gè)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(dòng),平均隔振量能夠達(dá)到45dB,符合設(shè)計(jì)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(dòng)源的多少對(duì)系統(tǒng)隔振性能影響不大,只是在少數(shù)頻率下振級(jí)落差有微小的變化,

所設(shè)計(jì)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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