柱壳隔振系统动力学特性的研究

　　0　前　言

　　柱壳是水下航行器的主要结构形式。国内外学者多年来对其进行了大量的研究,从柱壳结构的传递特性、在各种载荷条件下的响应预报直至柱壳结构的水下噪声控制。由于机械振动是柱壳结构振动与声辐射的重要来源,为了控制柱壳的振动与水下声辐射,需要对柱壳隔振系统的动力学特性加以深入的研究。柱壳内部结构的复杂性与各种可能的结构与材料形式,使得柱壳结构动力学特性的研究内容极为丰富。

　　以往对柱壳结构动力学特性的研究大多建立在刚体模型的基础上,将内部机械装置视作刚体并通过隔振支承与壳体弹性相连,壳体结构也同样作为不考虑变形的基础。于是,机械装置的隔振设计较少考虑壳体的动态响应,壳体的振动与声辐射也未能计及内部机械装置的振动耦合。试验表明:理论上的隔振效果与实测间可相差20dB以上,其原因与所建立的动力学分析模型有关。

　　本文从弹性体模型出发,通过柱壳隔振系统的传递特性以及响应特性的分析,对隔振系统设计中的结构与材料参数进行研究,并通过模型试验对理论研究结果进行验证。文中阐述了关于柱壳隔振系统动力学特性的内在规律,探索了水下柱壳结构声学设计的若干原则。

　　1　柱壳隔振系统中的振动传递及其灵敏度

　　对柱壳内机械装置的隔振,由于被隔结构通常也呈圆柱体形,隔振元件一般均布在同一圆周平面内,采用辐射式或隔振环形式加以支承。前者可通过调整各隔振器的位置与参数,得到较理想的隔振性能;后者则结构紧凑且具有良好的稳定性。两种不同的隔振形式如图1所示。

　　在刚体模型的假定下,柱壳内部机械装置作为集中质量处理,壳体结构亦作为不计变形的刚性基础,系统具有的振动模态包括机械装置的垂向、横向与纵向振型以及纵摇、平摇与横摇振型。隔振设计的主要任务是合理配置隔振参数,使得这些振动模态尽可能地分布在一个较窄的低频范围内,以便使机械装置的主要扰动频率不致落在这些模态频率附近[1]。

　　在柱壳结构尺寸较大、壳体厚度相对较薄的情况下,壳体结构与内部机械装置事实上不能视作为刚体,它们的弹性振动模态会对隔振系统的中、低频振动传递特性产生重要影响,而高阶振动模态也会影响到隔振系统的高频振动传递特性。这些因素将直接影响到柱壳结构振动噪声预报的准确性、影响到对机械隔振系统的效果评估,甚至导致隔振设计方向的偏离。因此,建立起包括机械装置与壳体在内的整个系统的弹性体模型是研究并控制柱壳结构水下噪声的前提。

　　在弹性体模型的基础上,柱壳结构振动的传递函数与振动模态参数间的关系可表示为: