摘 要

舰船上的振动噪声会影响舰船上工作人员的工作效率，减少船上机械设备的使用寿命，降低精密仪器的工作精度。因此降低舰船上的振动噪声的研究必不可少。舰船减振技术分为两种，一种从振源出发，从源头遏制振动的产生；另一种则是采用隔振系统，在振动噪声转播路径中减少振动。

常用的隔振系统为浮筏隔振系统，本文以两台Y110L-6-H船用电机为隔振对象,从空间桁架常用的最小单元体入手，分析和设计了三种不同最小单元体的桁架式筏架：三棱柱桁架、四棱柱桁架以及六棱柱桁架。通过计算选择了合适的上下层隔振器——E25、ZA-34-40橡胶隔振器。并根据所选择的隔振器其和隔振对象，进行了隔振系统底座、电机安装架等零件的设计，搭建了三种不同的隔振系统。利用ANSYS软件对三种桁架进行了静应力、模态和谐响应分析，对隔振系统进行了模态和谐响应分析。分别得出了三种桁架的应力以及应变云图，固有频率和隔振特性以及三种隔振系统的固有频率和隔振特性。

关键词：浮筏隔振系统；桁架；隔振性能；最小单元体

Abstract

Vibration and noise on the ship will affect the efficiency of the crew on board, reduce the service life of the mechanical equipment on board, and reduce the working accuracy of precision instruments. Therefore, it is necessary to reduce the vibration and noise on ships. The technology of ship vibration isolation is divided into two kinds. One is controlling vibration from the source. The other is to use the vibration isolation system to reduce the vibration in the vibration and noise transmission path.

The common vibration isolation system is a floating raft isolation system. In this paper, three kinds of truss rafts with different minimum elements: three prism trusses, four prism trusses and six prism trusses are designed for two Y110L-6-H marine motors. Through calculation, suitable E25 and ZA-34-40 rubber isolators are selected. According to the selected vibration isolator and the vibration isolation object, the design of the base of the vibration isolation system and the mounting frame of the motor is carried out, and three different vibration isolation systems have been built. The static stress, modal and harmonic responses of the three trusses are analyzed by ANSYS software, and modal and harmonic responses of the isolation system are analyzed too. The stress and strain charts, natural frequencies and vibration isolation characteristics of three trusses, and the natural frequencies and vibration isolation characteristics of the three types of isolation systems are obtained respectively.

Key Words：Floating raft isolation system; truss; isolation performance; minimum element

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究概况 1

1.2.1舰船隔振技术研究概况 1

1.2.2 桁架在浮筏系统的应用 2

1.3论文的主要内容和组织结构 4

第2章 桁架式筏架的设计理论 5

2.1 桁架 5

2.2桁架式筏架的隔振机理 6

2.3桁架式筏架的设计原则 7

2.3.1 桁架连杆的选择 7

2.3.2 桁架接头的选择 7

2.4 本章小结 8

第3章 桁架式筏架的设计以及隔振系统的搭建 9

3.1 隔振对象的选择 9

3.2 筏架的设计 10

3.3 桁架式浮筏隔振系统的搭建 13

3.3.1 隔振器的选择和布置 13

3.3.2隔振系统物理模型 18

3.4本章小结 20

第4章 桁架式浮筏和隔振系统基于ANSYS的有限元分析 21

4.1 桁架有限元分析 21

.4.1.1静应力分析 21

4.1.2模态分析 24

4.1.3谐响应分析 28

4.2 隔振系统有限元分析 31

.4.2.1模态分析 31

4.2.2谐响应分析 32

4.3本章小结 34

第5章 总结与展望 35

5.1 总结 35

5.2展望 35

致谢 36

参考文献 37

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声是舰船上的常见的噪声^[1]。低速巡航工况下，舰船发出的噪声的70%左右来自其内部机械机构运转所引起辐射噪声^[2]。舰船上的振动噪声会危害船员身体健康，干扰舰船上人员的正常生活,不利于人们的休息和工作。降低人们的工作效率，还会影响精密仪器的正常使用。振动噪声对于作战舰艇而言更为致命，降低舰船的隐蔽性和作战性能从而使舰船上的人员生命收到威胁导致作战任务失败，使国家和人民遭受巨大损失。因此舰船上减小振动噪声的研究是十分重要的。

减小舰船上的振动一般有两种方法，一是从源头入手，优化舰船上的机械设备，控制振动噪声的产生；二则减少振动传递到基础上，大多采用隔振的方式。单层隔振最早为人们所用，随着舰船隔振技术的发展，双层隔振和浮筏隔振技术也登上了舞台。隔振装置的筏架对于隔振性能有着较大的影响，传统的浮筏隔振装置筏架多采用梁板式结构。该结构并未充分利用材料性能，形式比较单一，笨重不灵活。因此，本文在前人的基础上，设计采用周期式桁架结构的筏架并利用ANSYS等有限元软件对设计的筏架以及浮筏隔振系统的性能进行仿真分析。

1.2国内外研究概况

1.2.1舰船隔振技术研究概况

舰船隔振技术的发展主要历经了简单的单层隔振、较为复杂的双层隔振以及现在应用较广的浮筏隔振等阶段^[3]。其中浮筏隔振装置是在双层隔振装置的基础上改进而来的，利用两层隔振器将设备和船体连接在一起^[4]。浮筏隔振装置如图1-1所示，由机械设备、上层隔振器、筏架、下层隔振器以及安装基座五部分组成，采用公共筏架可以减小中间附加质量，节省安装空间^[5]。浮筏隔振由于其高效的隔振性能，已经广泛应用各民用、军用舰艇。

图1-1 浮筏隔振系统

1.2.2 桁架在浮筏系统的应用

初期的浮筏结构由双层隔振系统演化而来，中间筏架多采用板、梁一类等一类结构。孙良贵设计了四种不同结构形式的中间筏体，并对所设计的四种筏架进行了分析与测试^[6]。船舶研究设计中心的谢志强针对海水泵研制了一种隔振性能优良的浮筏隔振装置^[7]。随着桁架结构研究的发展，浮筏系统的结构逐渐朝着空间化，立体化等方向发展。张衡设计的框架式浮筏隔振系统，总体外观与板式结构类似，具有框架和板的特点与性能，这种筏架也被叫做框架板筏架^[8]。林立所设计的立体式浮筏隔振系统，给出了隔振器类型的选择方法和筏架结构设计方法，他所设计的这套系统多台设备共用一个筏架^[9]；

传统的中间筏架技术在国内外都很纯熟，但由于没有技术和理念的突破，浮筏隔振系统隔振性能的提高受到了制约。近年来随着波在周期性结构中传播的理论的深入研究，周期性结构的筏架出现在人们的视野中，其中桁架式筏架结构由于独特的隔振机理有着较为远大的发展前景。

Bondary通过实验分析计算了尺寸比例为1:15的三个桁架在频率范围设为10～1400 Hz的振动性能，验证了桁架机械梳状滤波器的特性^[10]。桁架结构的设计，如图1-2所示。舰船上的全部动力设备安装在桁架式筏架上，筏架在通过下层隔振器安装在基础底座上。

图1-2 桁架浮筏结构

虽然中国桁架结构的研究起步较晚，但迄今为止已经做了大量的研究工作。如中国船舶重工集团公司第七〇二研究所申请的专利^[11]：桁架式浮筏隔振装置，如图1-3所示。该装置浮筏中间体为桁架式结构,通过桁架的上弦杆、下弦杆、腹杆和球型接头在结构中对振动波的波型变换、多重散射和反射以达到增强减振和隔振效果的目的;桁架式浮筏的球型接头与杆件不通过传统的焊接形式连接而是以机械卡扣方式连接，在安装空间狹小的时可将桁架式浮筏分解成零件后再进行安装，安装、维护方便。

图1-3 摇篮式桁架结构

况成玉、程世祥等对于周期结构筏架也进行了相关研究。况成玉^[12]通过计算表明桁架式浮筏能够有效的隔离削减高频率的振动波，而对于低频的振动波并不能起到有效的减振作用。这是因为高频波的波长较短，能够在桁架中多次反弹从而最终被消减。桁架式浮筏系统对于低频段的波并不是无能为力的，这是因为浮筏系统安装有上下层隔振器，能够对低频率的振动波进行有效的削减。这样浮筏隔振系统就能够有效的隔离较宽频率段内的振动波。

程世祥则给出了一种桁架模型，并对其进行了优化。他先提出了一种建筑工程中常用的桁架形式，如图1-4（a）所示。这种桁架的隔振效果并不理想，究其原因主要是因为该种桁架接头连接的杆件较多，振动波的传播路径较短;如图1-4(b)中所示的类似于砖墙结构的桁架，由于振动波在桁架中的传播路径较长，波型转换的次数较多所以隔振效果较好；图1-4（c)所示的桁架是在(b)桁架的基础上优化各个参数所得出的。合理的布置了筏架各承重面的位置，并加厚了隔振器安装过渡板，以提高阻抗，增强“阻抗失配”效应。利用有限元的方式分析比较三种桁架的动力学性能，表明三种桁架种图1-4(c)所示的筏架结构隔振性能比其他两种筏架的好^[13]。

图1-4 桁架模型

1.3论文的主要内容和组织结构

本文将以正三棱柱、正四棱柱以及正六棱柱三种空间桁架最小单元体进行桁架的设计并搭建三种中间筏体不同的浮筏隔振系统，通过隔振分析得出哪种最小单元体的隔振性能最好，以方便后人对于桁架式筏架设计的最小单元体选型。全文内容分为五章，各章内容的安排：

第一章绪论，介绍了振动对于舰船的危害--不仅不利于船员的工作生活，更会影响船上设备的正常工作等。阐述了隔振作为减小舰船上振动的有效手段之一 及其发展概况。对比了国内外关于桁架在浮筏隔振系统中的应用。

第二章给出了桁架的定义：一种由杆件与接头相互连接的机械结构，并给出了桁架的组成部分——连杆、节点以及最小单元的基本类型。介绍分析桁架的隔振机理和如何合理的选择桁架杆件参数以及接头。

第三章 进行了桁架式筏架的结构设计并结合浮筏系统的设计原则，以Y-H110L型电机为隔振对象，进行隔振器的选型与安装。搭建三种不同的桁架结构的浮筏隔振系统。

第四章 对三种不同最小单元的桁架进行静应力有限元分析（分析桁架能否满足刚度与强度的要求）、模态分析（得出三种桁架的固有频率，分析三种桁架是否会在电机激振力的作用下发生共振。）和谐响应分析(分析三种桁架的隔振性能)。再对三种不同桁架结构的隔振系统进行模态分析和谐响应分析，分别得出其固有频率和隔振性能。

第五章总结与展望。概括全文的设计成果，分析得出三种不同最小单元桁架的隔振性能，确定哪种桁架浮筏系统在激振力频率0-200Hz范围内隔振性能最优。并对下一步的工作进行展望。

第2章 桁架式筏架的设计理论

2.1 桁架

桁架是一种由杆件通过接头彼此相互连接的一种机械结构。桁架一般是由直杆组成的，较为常见的桁架多为平面或空间三角形单元，由于杆件大多数情况下受到轴向的拉力或者压力，能够有效充分的利用材料的性能。桁架式浮筏筏架多采用钢管桁架。常见的管桁结构的形式有华伦（Warren）式桁架、普希（Pratt）式桁架、芬克（Fink）式桁架和拱形桁架及其他各种演变形式的桁架，如带交叉支杆的桁架（Truss with cross braces），图2-1为各类桁架的形式^[14]。

图2-1 各类桁架样式

桁架通常由以下三部分组成：

(1)连杆

桁架的杆件一般由上弦杆、腹杆（竖杆、斜杆）和下弦杆组成，如图2-2所示。杆件是桁架中的主要承载部件，承受拉、压力等载荷。在管桁架中常用的管桁架结构的杆件为方管或圆管。钢管通常为无缝钢管或者高频焊接钢管

图 2-2 桁架连杆示意图

(2)节点

①螺栓球节点、②焊接板节点、③焊接空心球节点、④相贯节点和⑤铸钢节点等为桁架的常用节点^[15]。焊接空心球节点具有刚度大，变形小，承载力大等特点，如图2-3所示。 焊接空心球节点是将两个半球壳对焊形成的，球壳与连接杆通过焊接连接。根据工程设计需要连接杆件可以在球壳上面任意方向进行焊接，并且连接杆的中轴线通过球心，这样就不会产生偏心而引起附加弯矩^[16]。节点主要通过焊缝传力，所以受力很是可靠;由于焊接空心球节点构造简单、价格便宜，现场施工量大，所以在我国得到了广泛的应用。

图2-3焊接空心球节点

(3)最小单元体

桁架结构为周期性结构，一般都是由多个最小单元体重复而成。桁架的结构动力学特性，通常是由小单元体动力学特性所决定的。平面桁架常见的最小单元体有三角形单元、正四边形单元以及多边形单元。空间桁架最小单元体常见的有三棱柱单元、金字塔单元、正四棱柱、以及六棱柱。

2.2桁架式筏架的隔振机理

桁架式筏架在结构上有着独特的设计，使桁架内振动能量的传递具有复杂性。其隔振机理主要包括以下几种：

（1）波型转换，在桁架结构中，接头一般要和多个杆件连接，振动波在杆件中的传递通过接头时会出现散射现象，这种现象是由于桁架结构中传递的纵波、扭转波和弯曲波之间的波型相互转换而引起。

（2）桁架辐射损耗，由于桁架式筏架的杆件一般是空心的结构，质量主要分布与杆件表面，这样的结构容易引起桁架向周围辐射声波，从而起到损耗振动波能量，隔离振动传播的作用。

（3）分布阻尼，由于桁架式筏架的重复周期结构，振动能量在机械设备传递到筏架再通过筏架传递到隔振系统基础的路径增长，若能够将一定的阻尼添加于桁架的最小单元体内，则能够有效的消耗振动能量，从而提高了桁架的隔振性能。

（4）梳状滤波特性，声波在桁架中传递时，因为结构的周期性存在，桁架对所传递振动有频率通带和阻带的特点。频率通带就是某频率段内的声波能够通过桁架，而有些频率段内的声波则不能够通过，被桁架所隔离，起到了滤波的作用。

2.3桁架式筏架的设计原则

在桁架的设计，我们主要是分析计算桁架连杆、桁架接头的参数，并且选择合适的桁架最小单元体。设计桁架结构，为了使所设计的筏架具有适合的梳状滤波特性并且满足强度与刚度的要求，我们首先应该做的是选择合适的桁架最小单元体。其次我们需要分析思考的是振动波在桁架中传播过程中的波型转换。选择合适的桁架类型以增加振动波在桁架中的传递路程和波型转换的次数以达到使振动均匀，增强阻尼耗散的目的。最后还应考虑“质量效应”和桁架的固有频率。当激振力的频率大于浮筏隔振系统固有频率的√2倍时，隔振系统才能够起到隔振的作用。桁架的基本结构确定下来后，应进行相应的有限元分析以验证其隔振能力。

2.3.1 桁架连杆的选择

作为筏架的桁架杆件一般为金属空心圆管以充分发挥其辐射损耗的隔振功能。杆件是桁架中的主要承载部位，承受不同方向的压力、拉力和扭矩。在连杆的选择时在满足强度和刚度要求的同时应考虑合理的杆件外径与厚度。桁架的整体弯曲刚度与杆件的外径成正比，当杆件外径增大时，桁架的低阶固有频率升高、在一定频率范围内共振峰减少。当杆件长度增长时，桁架结构整体刚度变差。故桁架设计中应合理选择杆件截面尺寸和长度尺寸，使桁架结构能够有效的避开设备主激励频率、提高整体刚度、增大低阶固有频率和减少共振峰数目以增强桁架隔振性能。

2.3.2 桁架接头的选择

能否合理的选择桁架接头对于桁架的隔振性能有着较大的影响。桁架连杆通过接头相互连接，振动波在传递到接头时散射到与之相连的其它连杆中，可通过改变接头质量来控制振动波在筏架中的传递特性。张锋^[3]对比了不同质量接头桁架的振动效果得出：当接头质量增大时，桁架式筏架的质量分布不均匀性增强、桁架的相对柔性也随之增强，使得桁架式筏架的振动减弱、通带集中而拓宽了阻带。大质量的接头能够有利于桁架式筏架的带隙隔振设计，而大质量的接头会导致筏架系统的质量不均匀，增大浮筏系统搭建成本等问题，故应合理的选择桁架接头质量。

2.4 本章小结

本章主要介绍了桁架的定义及其组成，阐明了桁架的隔振机理主要有①波型损耗、②桁架辐射损耗、③分布阻尼、④梳状滤波特性等。着重叙述了桁架式筏架的设计原则：不仅要遵循传统筏架的设计原则，在此之上还要考虑桁架的梳状滤波特性，强度刚度等要求。

第3章 桁架式筏架的设计以及隔振系统的搭建

3.1 隔振对象的选择

Y-H系列船用三相异步电机，是按照国家标准GB755-87《电机基本技术要求》和ZC“钢质海船建造规范”设计的并经国家船检局认可的。该系列船用电机具有效率高和起动转矩大等优点，在船舶上作为驱动机械而被广泛应用。所设计浮筏隔振系统的隔振对象为：两台Y110L-6-H船用电机。该型号具体参数如表3-1和表3-2所示。

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