周期桁架浮筏系统的隔振特性研究

    浮筏是连接主机系统与基座的重要结构，其阻抗和传递损失特性对振动在主机与基座之间的传递以及船舶机械噪声有着至关重要的影响。机械噪声是船舶低速航行时的主要噪声源［1 －2］，因此，研究设计新型浮筏，充分利用振动传递与衰减机理，减少主机振动向基座传递，从而降低船舶结构辐射噪声对于提高水下声学环境具有重要意义。

    人们很早就对周期结构的振动特性给予关注和研究。弹性波在结构或材料呈周期性变化的结构中传播时，受其内部周期结构的作用，将会形成带隙特征，弹性波传播被抑制［3 －4］。因此，通过合理设计周期结构，可以在一定频率范围内有效抑制振动的传播。目前，这种抑制振动的方法已经在工程中得到应用。

    周期结构的研究方法主要有解析法、传递矩阵法以及有限元法等方法［5 －6］，其中有限元方法仍是小型复杂周期结构的常用分析方法。对组合结构进行建模，基于频响函数综合的子结构方法［7］是最有效的频域方法之一，它可以直接使用通过有限元方法计算所得的频响函数，也可以应用实测频响数据，具有良好的数值稳定性。国内外许多学者已经将这种方法用于浮筏振动系统的设计计算中，如吴振东等［8］应用该方法建立浮筏隔振系统模型，连续运用两次频响函数合成方法获得双层隔振系统的整体频响函数。此外，马永涛等［9］也提出了一种浮笩隔振系统的建模方法，该方法基于阻抗理论，回避了以往阻抗矩阵在筏架处理中的困难，建模过程简单且计算得到的隔振效果与试验的加速度振级落差相对应，具有很强的工程实用性。

    本文在上述研究的基础上，将周期结构引入浮筏结构设计中，并在整个浮筏隔振系统中考虑隔振效果。首先利用有限元方法对周期结构浮筏的振动特性进行计算，并与传统浮筏的振动特性进行比较，然后采用基于频响函数综合的子结构方法对浮筏隔振系统进行建模。在建模中，将由动力设备 － 浮筏装置 － 基础结构组成的系统分解为若干个子结构，其中浮筏弹性体和弹性基础的子结构以频域中的频响函数模型表示，隔振器动态由阻抗矩阵表示，再运用基于子结构的频响函数的综合方法得到系统总的频响函数矩阵。

    1 周期桁架结构浮筏模型

    周期桁架浮筏的基本结构由空心钢管组成，钢管外径 R =10 mm，内径 r =7． 5 mm。利用梁单元建立相应的有限元模型，如图 1 所示。浮筏总体尺寸为1． 5 m × 1． 0 m × 0． 3 m，三个方向各有 15 层、10 层和 3层，每层间距 0． 1 m，各层交错排列，不仅在三个方向都有周期性，而且增加了振动波在传播途径中的波形转换，结构的周期性如图 2 所示。传统浮筏模型如图 1( b) 所示，其总体尺寸和质量与桁架浮筏一致，其中盖板和底板厚度均为 20 mm，筋板厚度为 5 mm。