2021, Vol. 43
夹层板系统具有隔音隔热效果明显、结构型式简单、轻便耐用、抗冲击性能强等特点，近年来在船舶建造领域得到了广泛应用，应用夹层板系统逐渐成为实现舰船高性能、轻量化设计与制造的发展趋势[1-4]。由英国IE公司开发的聚氨酯夹层板，作为夹层板系统的重要组成部分，由上下两层钢面板和注入的聚氨酯芯层构成 [5-6]。由于聚氨酯作为一种高分子弹性体，能够起到消散能量，减小振动幅值的作用，因此可以应用在船舶结构的减振降噪中[7-8]。
国内外学者围绕夹层板系统的振动特性以及在减振方面的应用开展了一系列研究。M.P. Arunkumar等[9]比较了蜂窝芯材、桁架芯材和泡沫芯材对夹层板振动响应的影响。Melis Yurddaskal等[10]通过实验和数值仿真研究了曲率和泡沫芯材对曲面夹层板固有频率的影响。Yang等[11]研究了填充碳纤维泡沫对波纹夹层板振动特性的影响并讨论了其减振应用前景。高处等[12]对I型金属夹层板的振动特性进行数值仿真分析，并探讨了其在船舶减振设计中的应用。陆珊珊等[13]通过数值仿真研究了格栅夹层板的抑振性能，并通过实验验证了其抑振效果。赵留平[14]比较了由钢板和夹层板制成的2种浮阀隔振系统的隔振效果，结果表明在等重情况下夹层板的隔振量高于钢板3～4dB。牛壮[15]研究了采用粘弹性夹层板制成的船尾结构的减振效果，通过与钢制船尾的对比，结果表明在尾封板和上甲板测点处的响应峰值分别较原结构降低5.2%和6.9%。
本文以轻量化为设计目标，以64000DWT散货船钢制舱口盖为替代目标，采用以聚氨酯夹层板设计新型舱口盖结构的方案，并通过有限元软件Ansys Workbench开展SPS舱口盖结构振动特性分析，重点研究了SPS舱口盖结构的模态振型、谐响应及随机振动，并与钢制舱口盖的振动特性进行了对比研究，探讨了夹层板系统在船舶结构减振降噪方面的优势和特点，研究结果可以为船舶轻量化设计、舒适性改善等提供参考。
1 SPS舱口盖模型 1.1 SPS舱口盖结构设计以64000DWT散货船的双层钢制舱口盖（总重85175 kg）为替代目标。该舱口盖盖板为对开折叠式，两侧各有2块板通过铰链连接。
如图1所示，4块板板长L均为18600 mm，板宽B分别为4170 mm，5700 mm，5850 mm，4170 mm。上盖板厚度t1为10 mm，下盖板厚度t2为9 mm。横梁和纵桁高度H1，H2均为845 mm，厚度t3，t4均为10 mm。
|
图 1 钢制舱口盖结构图 Fig. 1 Structure size of steel cargo hatch cover |
基于等强度原则，设计SPS舱口盖。主要设计方案为：由聚氨酯夹层板代替钢制舱口盖的上下盖板，并保留原横梁和纵桁结构。SPS舱口盖结构总质量为75481 kg，比替代目标减少12.40%。聚氨酯夹层板尺寸参数如表1所示。
|
表 1 SPS夹层板参数 Tab.1 Parameters of sandwich plates |
对SPS舱口盖采用壳体混合建模，其中上下SPS盖板采用体建模，横梁和纵桁采用壳建模，有限元模型如图2所示。采用四面体网格对SPS舱口盖进行划分，单元数为154359，节点数为1048852。对下盖板下面板添加四边简支约束。材料主要属性见表2。
|
图 2 SPS舱口盖有限元模型 Fig. 2 Finite element models of SPS cargo hatch cover |
|
|
表 2 材料属性 Tab.2 The properties of two materials |
对钢制舱口盖和SPS舱口盖分别进行模态分析，以确定其固有频率和振型。表3给出了钢制舱口盖和SPS舱口盖前6阶固有频率的对比。结果表明SPS舱口盖的固有频率始终低于钢制舱口盖的固有频率。图3和图4分别给出了二者的模态振型图，由于结构形式相似，其模态振型变化也相接近。
|
|
表 3 舱口盖自由振动频率对比 Tab.3 Comparisons of the natural frequencies of two hatch covers |
|
图 3 钢制舱口盖模态振型图 Fig. 3 Modal shapes of steel hatch cover |
|
图 4 SPS舱口盖模态振型图 Fig. 4 Modal shapes of SPS hatch cover |
在模态分析的基础上，分析2种舱口盖结构在承受周期循环载荷下的动态响应，以确定受迫振动时共振对结构的影响。在四边简支条件下，在2种舱口盖上面板顶部施加100 Pa的均布压强，扫频范围为0～30 Hz，扫频步长为0.15 Hz，2种材料的舱口盖幅频响应结果如图5所示。可以看出钢制舱口盖谐响应振幅为2.4 mm，SPS舱口盖的谐响应振幅为0.6 mm，SPS舱口盖的谐响应振幅相对钢制舱口盖降低75%，由此可见SPS舱口盖在减振方面具有明显优势。
|
图 5 舱口盖谐响应曲线 Fig. 5 The amplitude-frequency response curves of two hatch covers |
为进一步确定结构响应的统计学特性，根据已知的2种舱口盖的前6阶固有频率，通过Matlab软件计算得到随机位移功率谱。如图6（a）所示。考虑到谱分析时采样点的数量限制，在此选取30 Hz以内的30个点作为随机振动的垂向激励谱，如图6（b）所示。
|
图 6 随机功率谱密度 Fig. 6 Random power spectrum density |
在四边简支条件下输入功率谱进行随机振动分析，得到不同舱口盖结构在1σ区域内的响应云图，其中钢阻尼比为0.01，聚氨酯阻尼比为0.65。如图7所示，钢制舱口盖位移响应为1.821 mm，SPS舱口盖位移响应为0.667 mm，SPS舱口盖位移响应降低63.4%。如图8所示，考虑到上面板受随机激励的影响，钢制舱口盖上盖板上面板在1σ区域内的应力响应为8.733 MPa，SPS舱口盖上盖板上面板在1σ区域内的应力响应为2.084 MPa，SPS舱口盖应力响应降低76.1%。通过比较分析可得，在相同激励下SPS舱口盖结构响应远小于钢制舱口盖。
|
图 7 结构在1σ区域内变形云图 Fig. 7 The deformation cloud maps of two structures in 1σ |
|
图 8 结构在1σ区域内应力云图 Fig. 8 The stress cloud maps of two structures in 1σ |
为分析结构变形最大时的情况，在最大变形处节点得到相应的位移响应谱，如图9所示。钢制舱口盖垂向响应幅值为7 mm，SPS舱口盖垂向响应幅值为0.2 mm，相对钢制舱口盖降低了97.1%。SPS舱口盖垂向响应幅值明显小于钢制舱口盖，证明SPS舱口盖减振效果明显。
|
图 9 结构垂向位移响应谱 Fig. 9 Vertical displacement response spectrum of two structures |
本文基于64000DWT散货船舱口盖开展SPS舱口盖结构设计，通过有限元软件Ansys Workbench对2种舱口盖的模态振型、谐响应和随机振动进行分析，通过对2种结构的振动特性进行对比研究，得到如下结论：
1）在等效设计前提下，新型SPS舱口盖结构可以实现整体减重12%；
2）SPS舱口盖结构固有频率始终低于钢制舱口盖，且谐响应振幅比钢制舱口盖结构降低了75%；
3）随机振动载荷下的结构响应分析表明，在1σ区域内SPS舱口盖结构的最大变形比钢制舱口盖降低了63.4%，最大应力降低了76.1%，且在最大位移处的垂向响应幅值较钢制舱口盖降低了97.1%；
4）SPS夹层板应用于船舶设计建造能够有效降低结构振动响应，减振效果显著。
| [1] |
陈庆强, 张海华, 吴赞. 船体结构钢夹层板强度计算方法研究[J]. 中国造船, 2015, 56(2): 68-82. |
| [2] |
薛启超, 邹广平, 何建, 等. 聚氨酯弹性体隔板夹层结构的等效参数计算[J]. 复合材料学报, 2017, 34(3): 564-573. |
| [3] |
陈凯, 刘均, 张攀, 等. 低速碰撞载荷下钢制波纹夹层板动态响应研究[J]. 舰船科学技术, 2018, 40(1): 27-34. |
| [4] |
Hongxu Wang, Karthik Ram RAMAKRISHNAN, Krishna SHANKAR. Experimental study of the medium velocity impact response of sandwich panels with different cores[J]. Materials and Design, 2016, 99: 68-82. DOI:10.1016/j.matdes.2016.03.048 |
| [5] |
沈超明, 叶仁传, 田阿利. 钢/聚氨酯夹层结构动态压缩力学性能与本构模型研究[J]. 振动与冲击, 2016, 35 (10): 115−119.
|
| [6] |
Mohamed M., Anandan S., Z. Huo, et al. Manufacturing and characterization of polyurethane based sandwich composite structures[J]. Composite Structures, 2015, 123: 169-179. DOI:10.1016/j.compstruct.2014.12.042 |
| [7] |
ZARETSKY E, ASAF Z, RAN E, et al. Impact response of high density flexible polyurethane foam[J]. International Journal of Impact Engineering, 2012, 39: 1-2. DOI:10.1016/j.ijimpeng.2011.09.004 |
| [8] |
JI Fang, WANG Feng, WANG Kai, et al. Vibration isolation performance of polyurethane interlayer and model test[J]. Ship Science and Technology, 2017, 39(8): 27-34. |
| [9] |
ARUNKUMAR M. P., PITCHAIMANI J, GANGADHARAN K. V., et al. Influence of nature of core on vibro acoustic behavior of sandwich aerospace structures[J]. Aerospace Science and Technology, 2016, 56: 155-167. DOI:10.1016/j.ast.2016.07.009 |
| [10] |
MELIS Yurddaskal, UGUR Ozmen, MEHMET Kir, et al. The effect of foam properties on vibration response of curved sandwich composite panels[J]. Composite Structures, 2018, 183: 278-285. DOI:10.1016/j.compstruct.2017.03.059 |
| [11] |
Jinshui YANG, LI M, Kai-Uwe SCHRÖDERA, et al. Experimental and numerical study on the modal characteristics of hybrid carbon fiber composite foam filled corrugated sandwich cylindrical panels[J]. Polymer Testing, 2018, 68: 8-18. DOI:10.1016/j.polymertesting.2018.03.040 |
| [12] |
高处, 刘文夫, 邱伟强, 等. I型夹芯金属夹层板振动特性数值仿真分析[J]. 噪声与振动控制, 2018, 38(4): 76-80. |
| [13] |
陆珊珊, 盛美萍, 任杰安. 格栅夹层板抑振性能研究[J]. 动力学与控制学报, 2012, 10(2): 157-161. |
| [14] |
赵留平. 基于夹层板的浮阀隔振系统有限元分析[J]. 中国舰船研究, 2010, 5(3): 229-233. |
| [15] |
牛壮. 粘弹性夹层板在船尾结构的减振应用研究[D]. 大连: 大连理工大学. 2014.
|