CN109018188A - 一种环形波浪状周期浮筏及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形波浪状周期浮筏，包括上面板、多个并列的中间环形波浪状结构件以及下面板，所述环形波浪状结构件中部安置有稳定环，以增加结构刚度和稳定性；每个环形波浪状结构件的小面板与上面板、下面板相连。本发明的环形波浪状周期浮筏具有较高的初始刚度，可有效吸收振动能量，受拉压后恢复性好，同时振动沿着高度方向经环形波浪状结构进行传播时会形成周期结构的阻带特征并发生波型转换，使得振动得到大的衰减且安全可靠性强。本发明还公开了一种环形波浪状周期浮筏的制作方法。

Description

一种环形波浪状周期浮筏及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种周期浮筏及其隔振设计方法，特别涉及一种环形波浪状周期浮筏及其制作方法，属于舰船浮筏隔振技术领域。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，现代船舶对振动噪声的指标要求越来越高。对于船用大型动力设备，其正常工作时往往会产生较大的振动和辐射噪声，需要对这些动力设备进行隔振降噪处理。浮筏是上个世纪六七十年代已经出现的应用于船舶动力设备的隔振装置，一般能够达到36dB-46dB的振级落差，隔振效果良好，在船舶动力设备隔振上取得较为广泛的应用。

浮筏是目前对船用机械设备振动进行集中隔离的最好途径。浮筏是将某几个或者所有机械设备通过上层隔振器安装在一个公共浮筏筏体上，筏体通过下层隔振器弹性支撑或悬挂在壳体结构上，通过机械绝缘和减振的方法来减小机械振动，从而降低船舶噪声。

潜艇是海军武器装备中至关重要的一环，潜艇声隐身性能的提升，使得潜艇动力设备隔振需求提高。传统的浮筏主要有平板箱型浮筏、V型浮筏、梁式浮筏。传统的浮筏筏架结构没有充分利用各个子结构的振动衰减机制，减振效果有限，中间筏体质量较大而影响船舶的轻量化设计等缺陷。因此，在浮筏的尺寸、高度和重量等参数确定的条件下，传统浮筏已经不能满足潜艇极高的隔振指标需求。

申请号为“CN106960096A”，名称为“三维负刚度蜂窝结构及其制备方法”的发明专利，该发明解决了现有普通蜂窝结构通过塑性变形吸收能量及其结构的不可恢复性，也解决了蜂窝结构的重复使用的问题。该发明的结构具有高初始刚度、可恢复性强的特点，主要应用于航空航天领域。然而，该发明由于不具周向对称性，“井”字形结构较圆周形结构更易出现由于受力不均从而出现结构变形量过大的问题，从而使得在设计该结构时需要根据具体隔振设备进行设计，设计工作量大；且其制备方法较为复杂，制备要求和步骤较为繁琐，不具有推广性，因而该发明仅限于在航空航天领域应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的技术问题和缺陷，提供了一种环形波浪状周期浮筏及其制作方法。

本发明综合应用环形波浪状结构的能量吸收性能和周期结构的阻带机制，使振动传递到筏架时部分能量被类蜂窝结构吸收同时在低频宽频带内产生带隙特性，有效了提高浮筏在低频段的隔振性能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种环形波浪状周期浮筏，由若干个环形波浪状周期结构件1、上面板2和下面板3相连接组成，其中所述的环形波浪状周期结构件1在水平方向上可成矩形排列、“口”字形排列或“日”字形排列。

进一步，所述环形波浪状周期结构件1由环形波浪状结构件1-1、上层小面板1-2、下层小面板1-3相连接组成。

进一步，所述环形波浪状结构件1-1在竖直方向上由多层波浪环1-1-1叠加组成，波浪环1-1-1两两镜像相接，相接处设有连接块1-1-2，波浪环两两之间设有稳定环1-1-3。

进一步，所述环形波浪状结构件1-1与所述上层小面板1-2、下层小面板1-3之间通过连接块1-1-2焊接固定。

进一步，所述环形波浪状结构件1-1的表面上还包覆有阻尼材料。

进一步，所述上层小面板1-2通过螺栓与上面板2固定，下层小面板1-3通过螺栓与下面板3固定连接。

进一步，所述每个波浪环1-1-1波峰和波谷角度一致且均在70o～140o之间。

为达到上述目的，本发明采用如下另一技术方案予以实现。

一种环形波浪状周期浮筏的制作方法，包括如下步骤：

S1:按设计要求制作波浪环(1-1-1)、稳定环(1-1-3)、连接块(1-1-2)、上面板(2)、下面板(3)、上层小面板(1-2)和下层小面板(1-3)；

S2:将制作好的波浪环(1-1-1)按设计要求两两镜像相接叠加，通过连接块(1-1-2)进行焊接固定，中间连接有稳定环(1-1-3)；最上层波浪环(1-1-1)通过连接块(1-1-2)和上层小面板(1-2)进行焊接固定，最下层波浪环(1-1-1)通过连接块和下层小面板(1-3)进行焊接固定，构成环形波浪状周期结构件(1)；

S3:将制作好的环形波浪状周期结构件(1)按设计要求排列在上面板(2)和下面板(3)之间，环形波浪状周期结构件(1)的上层小面板(1-2)通过螺栓与上面板(2)固定连接，环形波浪状周期结构件(1)的下层小面板(1-3)通过螺栓与下面板(3)固定连接；构成环波浪状周期浮筏。

本发明与现有技术相比，其优点和有益效果为：

1)本发明的环形波浪状周期浮筏，综合应用了类蜂窝结构的有效能量吸收、周期结构的能量阻带通带和波型转换机制，使得浮筏中质量和刚度参数优化分布，使振动降低。在设计周期结构时，利用类蜂窝结构作为弹性元件来传递载荷，可以使振动能量被部分吸收，振动得到有效衰减。弹性波向下经过环形波浪状结构传播时，会发生波型转换转化为不易传播的纵波。当弹性波的频率处于阻带范围内时，弹性波及振动是不允许传播的，增加了低频宽频带的隔振性能。

2)本发明的环形波浪状周期浮筏，等质量的环形波浪状周期结构与其他方式排布的类蜂窝结构相比具有更好地受拉、压后的可恢复性。每个环形波浪状周期结构的类蜂窝结构部分为一整体且垂直方向为连接块，周向部分有周向固定梁，其相较于普通类蜂窝结构在垂向受力后其周向分布更加均匀，不易发生不可逆性的弯折，稳定性和可靠性大大提升。多个环形波浪状周期结构在横、纵向周期排列组成的环形波浪状结构周期浮筏在垂直方向上具有较高的整体刚度，隔振效果比等质量的普通结构浮筏更好。

3)与传统的浮筏筏架结构相比，本发明的环形波浪状周期浮筏质量更轻，更适合于潜艇等船舶的轻量化设计。隔振效果较普通板式框架浮筏有了显著提升，隔振效果高出普通板式框架浮筏6～10dB。

附图说明

图1是本发明的环形波浪状周期浮筏的构造示意图；

图2是本发明的环形波浪状周期结构件的排布方案图；

图3是本发明的环形波浪状周期结构件的构造示意图；

图4是本发明的环形波浪状周期结构件的单层环形波浪状结构示意图；

图5是浮筏隔振原理图；

图6是有限元仿真计算的隔振结果比较曲线图。

图中：1为环形波浪状周期结构件；1-1为环形波浪状结构件；1-2为上层小面板；1-3为下层小面板；1-1-1为波浪环；1-1-2为连接块；1-1-3为稳定环；2为上面板；3为下面板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以及结合附图及实施案例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1～5所示，为本发明的一种环形波浪状周期浮筏，由10个环形波浪状周期结构件1、上面板2和下面板3相连接组成(如图1所示)，其中所述环形波浪状周期结构件1在水平方向上按“口”字形排列(如图2所示)。

所述环形波浪状周期结构件1由环形波浪状结构件1-1、上层小面板1-2、下层小面板1-3相连接组成(如图3所示)。

所述环形波浪状结构件1-1在竖直方向上由多层波浪环1-1-1叠加组成，两两波浪环1-1-1镜像相接，相接处设有连接块1-1-2，两两波浪环之间设有稳定环1-1-3，增加周向刚度和稳定性(如图4所示)。

所述环形波浪状结构件1-1与所述上层小面板1-2、下层小面板1-3之间通过连接块1-1-2焊接固定，提高垂向刚度。

所述环形波浪状结构件1-1的表面上还包覆有阻尼材料，降低共振时振动的峰值。

所述上层小面板1-2通过螺栓与上面板2固定，下层小面板1-3通过螺栓与下面板3固定连接，以便后期维修更换。

所述每个波浪环1-1-1波峰和波谷角度一致且均在70o～140o之间。

本发明的一种环形波浪状周期浮筏的制作方法，包括如下步骤：

S1:按设计要求，采用硬度较大的金属通过激光切割制作波浪环(1-1-1)、稳定环(1-1-3)、连接块(1-1-2)、上面板(2)、下面板(3)、上层小面板(1-2)和下层小面板(1-3)；

S2:将制作好的波浪环(1-1-1)按设计要求两两镜像相接叠加，通过连接块(1-1-2)进行焊接固定，中间连接有稳定环(1-1-3)；最上层波浪环(1-1-1)通过连接块(1-1-2)和上层小面板(1-2)进行焊接固定，最下层波浪环(1-1-1)通过连接块和下层小面板(1-3)进行焊接固定，构成环形波浪状周期结构件(1)；

S3:将制作好的环形波浪状周期结构件(1)按设计要求排列在上面板(2)和下面板(3)之间，环形波浪状周期结构件(1)的上层小面板(1-2)通过螺栓与上面板(2)固定连接，环形波浪状周期结构件(1)的下层小面板(1-3)通过螺栓与下面板(3)固定连接；构成环波浪状周期浮筏。

如图5所示，被隔振对象为两台相同型号的某船用柴油发电机组，其中4为柴油发电机组，5为上层隔振器，6为中间筏架，7为下层隔振器，8为基座。其外形尺寸、重量重心、转动惯量和转速等参数均为已知。为满足该船航行及其特殊工作需求，需要将两台柴油发电机组同时安装在一个浮筏上，使其通过浮筏传递到基座的振动加速度降到最低。

建模方法：根据动力装置各部分实际尺寸、重量、重心和转动惯量等相关参数，对动力装置进行简化建模，保证动力装置的尺寸、重量、重心和转动惯量均与实际相符。环形波浪状周期浮筏和普通板式浮筏的筏体均根据尺寸和重量等参数进行精确建模。基座用工字钢进行模拟，板厚为筏体板厚。工字钢上下板之间安装有多条垂向肋板。

有限元计算：将模型导入有限元分析软件，对动力装置、筏体和基座进行材料属性定义。两种筏体均采用相同材料，且除结构外其余参数如尺寸、重量等均一致。在筏体和动力装置之间添加上层隔振器，在筏体和基座之间添加下层隔振器。上层隔振器排布方式由机组机脚确定为两列直线型，下层隔振器根据振动传递理论确定为正方形排列，可使传递到基座的振动能量衰减到最小。隔振器使用Bushing单元模拟，计算并输入上层隔振器和下层隔振器的三向刚度和三向阻尼。基座下表面进行多点固定约束，模拟实际中基座由螺栓紧固在船体上。根据普通浮筏的实验数据，在对对施加载荷进行计算并修正后，在动力装置的重心位置施加一个垂直向下且随频率变化的力。

分析：计算完成后输出基座上板的垂向振动加速度并将加速度转化为加速度振级，对比两种不同浮筏的隔振效果。由图6可知，本发明的环形波浪状周期浮筏的隔振性能明显好于普通板式浮筏。在整个分析频率内，本发明的环形波浪状周期浮筏隔振效果比普通板式浮筏隔振效果高出约6dB，尤其是在80～200Hz和310～420Hz频段范围内，隔振效果高出8dB以上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的改变和变形。凡采用等同替换或等效变换所形成的技术方案，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种环形波浪状周期浮筏，其特征在于，由中间若干个环形波浪状周期结构件(1)、上面板(2)和下面板(3)相连接组成，其中所述的环形波浪状周期结构件(1)在水平方向上成矩形排列、“口”字形排列或“日”字形排列。

2.根据权利要求1所述的一种环形波浪状周期浮筏，其特征在于，所述环形波浪状周期结构件(1)由环形波浪状结构件(1-1)、上层小面板(1-2)、下层小面板(1-3)相连接组成；其中，所述环形波浪状结构件(1-1)在竖直方向上由多层波浪环(1-1-1)叠加组成，两两波浪环(1-1-1)镜像相接，相接处设有连接块(1-1-2)，两两波浪环(1-1-1)之间设有稳定环(1-1-3)。

3.根据权利要求2所述的一种环形波浪状周期浮筏，其特征在于，所述环形波浪状结构件(1-1)与所述上层小面板(1-2)、下层小面板(1-3)之间通过连接块(1-1-2)焊接固定。

4.根据权利要求2所述的一种环形波浪状周期浮筏，其特征在于，所述环形波浪状结构件(1-1)的表面上还包覆有阻尼材料。

5.根据权利要求2所述的一种环形波浪状周期浮筏，其特征在于，所述上层小面板(1-2)通过螺栓与上面板(2)固定，下层小面板(1-3)通过螺栓与下面板(3)固定连接。

6.根据权利要求2所述的一种环形波浪状周期浮筏，其特征在于，所述波浪环(1-1-1)的波峰和波谷角度均在70°～140°之间。

7.一种基于权利要求1-7任一项所述环形波浪状周期浮筏的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:按设计要求制作波浪环(1-1-1)、稳定环(1-1-3)、连接块(1-1-2)、上面板(2)、下面板(3)、上层小面板(1-2)和下层小面板(1-3)；

S2:将制作好的波浪环(1-1-1)按设计要求两两镜像相接叠加，通过连接块(1-1-2)进行焊接固定，中间连接有稳定环(1-1-3)；最上层波浪环(1-1-1)通过连接块(1-1-2)和上层小面板(1-2)进行焊接固定，最下层波浪环(1-1-1)通过连接块和下层小面板(1-3)进行焊接固定，构成环形波浪状周期结构件(1)；

S3:将制作好的环形波浪状周期结构件(1)按设计要求排列在上面板(2)和下面板(3)之间，环形波浪状周期结构件(1)的上层小面板(1-2)通过螺栓与上面板(2)固定连接，环形波浪状周期结构件(1)的下层小面板(1-3)通过螺栓与下面板(3)固定连接；构成环波浪状周期浮筏。