0 引　言

目前，舰船常用的隔振手段是将动力设备通过隔振器连接于中间筏架上，然后筏架通过隔振器和艇体进行连接，采用浮筏隔振系统能有效地减小舰船动力设备振动噪声传递^[1]。

很多学者对浮筏结构隔振性能进行优化研究，张乐等^[2,3]分别使用参数优化以及拓扑优化方法对浮筏结构的隔振性能进行优化；王壮等^[4]将桁架结构应用至传统浮筏提出一种新浮筏结构并对其进行优化。随着浮筏结构设计研究逐渐深入，浮筏结构也由较为简单的板梁结构发展出了周期结构形式^[5]；朱自强等^[6−7]提出周期性浮筏结构并证实其具有一定的隔振性能优势。但是，周期结构形式的设计会导致浮筏结构变得较为复杂，给工程建造增加困难^[8]。近些年发展起来的声子晶体和声学黑洞等结构，由于具有良好的声学性能，且布放简单，将其应用于隔振系统设计中能有效提高系统隔振性能^[9]。

为了提高浮筏隔振系统的隔振性能，本文在传统框架式浮筏结构基础上，设计出一种新型浮筏结构，同时将声学黑洞和声子晶体引入浮筏隔振系统设计中提升浮筏系统隔振性能。

1 浮筏结构设计 1.1 模型建立

司贵海等^[10]在传统浮筏结构基础上布置了间断式肋板，使筏架结构具有不连续的特征，可以有效耗散振动能量；张衡^[11]提出一种交叉斜置直腹板结构，经过研究发现该结构具有较大的刚度，各阶模式间跨度较大。本文结合这2种浮筏结构形式提出一种斜置腹板浮筏结构，同时在斜置腹板交接处进行间断处理。浮筏结构材料为Q355钢，密度为7850 kg/m³，杨氏模量为2.06×10¹¹ Pa，泊松比为0.3。浮筏筏架结构如图1所示，筏架上布放2台机组，每台机组通过4个减振器同筏架连接，筏架和基座间布放4个减振器，在有限元仿真过程中隔振器采用弹簧阻尼单元进行模拟，上层隔振器刚度为100 N/mm，下层隔振器刚度为342 N/mm，阻尼比为0.08。

1.2 系统动力性能分析

对于设计的浮筏系统进行模态分析，中间筏体的一阶扭转模态和一阶弯曲模态分别为443.15 Hz和532.38 Hz，筏架结构模态频率远高于浮筏系统模态，主要激励载荷很难激发筏架结构发生共振。

为了对浮筏系统的隔振性能进行分析，以加速度振级落差为评价指标，对浮筏系统隔振性能进行计算，计算结果如图2所示。

可知，由于22 Hz附近为浮筏系统整体固有频率，因此出现振级落差谷值；在500 Hz后浮筏系统振级落差出现多个谷值，主要是由于该频段中间筏体的振型较多。

1.3 浮筏参数优化

为了提升间断斜置腹板浮筏系统隔振性能，基于Isight软件采用优化算法对浮筏系统进行优化，结构参数取值范围如表1所示。

优化采用多岛遗传算法（MIGA）对结构参数进行优化，优化的目标为最大平均加速度振级落差，约束条件为浮筏应力不超过材料许用应力$\left[\sigma \right]$，浮筏质量小于质量${m}_{0}$，优化数学模型如下式：

$\left\{\begin{split}&{\text{FIND}}X=[{x}_{1}{,x}_{2},...{,x}_{6}],\\& {\text{MAX}}F\left(x\right)={L}_{a},\\& {\text{S.T.}}\sigma < \left[\sigma \right]\text{，}m < {m}_{0}.\end{split}\right.$

(1)

经过125次优化后浮筏系统参数如表2所示。

浮筏结构优化前后加速度振级落差结果如图3所示。可知，优化前后浮筏结构振级落差差别不大，但优化后浮筏结构质量降低8%。

2 隔振结构在浮筏减振的应用 2.1 声学黑洞结构作用下浮筏结构隔振性能研究

声学黑洞（Acoustic Black Hole，ABH）是近年来新兴的减振结构，其结构特点为厚度h与距离尖端的距离x符合${h}\left({x}\right)={\varepsilon } \cdot {{x}}^{{m}}$(m≥2)的函数关系，对于板中的弯曲波，声学黑洞可以逐渐减小其波速直至趋近于0，发生尖端无反射现象，从而降低弯曲波在结构中的传递，实现减振降噪的目的。同时有研究表明，在黑洞区域附加阻尼可以有效降低弯曲波反射率，进而提高声学黑洞的隔振性能。

如图4所示，选取一块尺寸为800 mm×400 mm×5 mm的钢板，在指定位置加入二维声学黑洞结构，同时在黑洞区域附加阻尼结构，主要参数如表3所示。

在黑洞区域左侧距离边缘80mm处选取一激励点施加幅值为1 N的简谐力，计算频率范围为1～1 000 Hz，在板右侧设置如图4所示10个观测点，将观测点平均振动加速度级进行对比。为了直观得出黑洞结构的引入对于结构振动性能的影响，将有无声学黑洞平板观测点处的平均振动加速度级进行比较，计算结果如图5所示。

可知，嵌入声学黑洞可以使得平板结构的隔振性能较大提升。因此，在浮筏结构的面板上设置声学黑洞结构，声学黑洞直径为120 mm，幂律取值4，截断厚度取值为0.5 mm，同时黑洞区域设置阻尼，阻尼材料参数如表4所示，阻尼结构直径120 mm，高度5 mm。在浮筏结构的面板上布放总共32个声学黑洞结构，布放声学黑洞后浮筏结构质量降低9.4%，布放声学黑洞前后浮筏系统隔振性能对比如图6所示。

可知，在低频段处2种结构隔振效果相差不大，由于低频段振型主要为浮筏系统的整体振型，因此声学黑洞的布放对于系统总体振动影响不大。由于受声学黑洞尺寸限制，声学黑洞对浮筏系统隔振性能的提升相对集中在中高频，浮筏结构面板引入声学黑洞结构可以使部分振级落差谷值提高约2 dB。

2.2 声子晶体作用下浮筏结构隔振性能研究

舰船设备振动噪声的传递路径比较复杂，使用传统的减振技术难以对特定频率范围内的振动进行有效的抑制，而具有带隙特性的局域共振声子晶体为解决这一问题提供了新的方案。针对船用设备工作频段相对较低的特点，将局域共振声子晶体应用于浮筏结构，声子晶体结构如图7所示。

选用的声子晶体结构基板为正方形，基板材料为钢，复合柱材料采用铜和橡胶，主要参数如表4所示。

本文采用有限元法计算图7所示的单复合柱声子晶体板的带隙特性，带隙特性计算基于理想无限周期声子晶体，计算得到带隙结果如图8所示，声子晶体带隙频率范围为37～65 Hz。

将声子晶体布放至浮筏结构面板上，设计如图9所示的结构，上下面板内侧指定位置按照2×2阵列布置声子晶体，总共布放48个声子晶体。

对于该浮筏系统进行隔振性能分析，计算结果如图10所示。可知，布放声子晶体结构的浮筏系统在声子晶体的带隙范围内振级落差曲线会产生一个较大的“凸起”，振级落差约提高3 dB。

3 结　语

本文对传统浮筏结构进行改进，提出一种间断斜置腹板浮筏，利用多岛遗传算法对于浮筏系统参数进行优化，优化前后浮筏系统振级落差差别不大，但优化后浮筏结构质量降低8%。为了进一步提升浮筏系统的隔振特性，分别将声学黑洞和声子晶体2种结构引入浮筏系统。布放声学黑洞可以使浮筏系统减重9.4%，部分高频段振级落差谷值提高2 dB左右，由于受布放尺寸限制其隔振性能主要体现在中高频段；浮筏系统布放声子晶体可在声子晶体带隙范围附近提升隔振性能3 dB左右，但声子晶体会增加结构总体质量。声学黑洞和声子晶体的引入对于浮筏结构的隔振效果提升均具有一定效果，具有较广阔的研究前景。