典型舰船循环水系统管路振动特性
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典型舰船循环水系统管路振动特性
舒礼伟
【摘要】The vibration and sound radiation of hull pipe system is produced by the transmission of liquid mediator which is motivated by device source. Taking typical hull circulation water system as investigated subject, the influence of liquid mediator and the fixed bearing spacing on the natural frequencies are discussed through FEM. The vibration characteristics of valves, flanges and three-limb tubes are also calculated. The result shows that the natural frequency of circulation water system would be increased by the reducing of fixed bearing spacing, and the higher natural frequencies are more notable. The vibration and sound radiation of pipe near the oil cooling radiation is the most dramatic, and the vibration control measures should be carried out.%舰船管路系统中的流体介质在管路源设备的作用下沿管路传输会产生振动和噪声。
以典型舰船循环水系统的管路模型为研究对象,借助有限元软件分析该管路系统介质、管路支座布置间距等工艺参数对其固有频率的影响规律,数值分析管路系统简谐激励下进出阀门、法兰等关键位置的振动特性。
结果表明:循环水管路系统各阶固有频率随固定支座间距的减小显著增大,且高阶固有频率增幅更为显著;循环水管路系统在滑油冷却器附近管路振动响应较为剧烈,应采用相应的减振降噪措施。
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2014(000)011
【总页数】5页(P162-165,189)
【关键词】循环水系统;管路固有频率;振动特性;数值分析
【作者】舒礼伟
【作者单位】海军装备部,北京100841
【正文语种】中文
【中图分类】U661.44
潜艇中存在众多的管路系统,管路中的介质在管路源设备的作用下沿管路传输过程中会产生振动和噪声。
当激振力的频率与管路系统的某一阶固有频率相近时,则管路系统发生对应于该频率的共振,使管道做强烈的机械振动。
振动和噪声通过马脚、穿舱件、空气介质等途径传递至艇体,在各设备之间起着“声桥”作用[1-4]。
管
路系统产生的振动和辐射噪声是合成潜艇噪声的来源之一,它直接影响潜艇隐蔽性[5-7]。
本文以典型舰船循环水系统的管路模型为研究对象,通过合理的模型简化,借助有限元软件Anasys分析该管路系统的固有频率及相应振型;分析管内介质、管路支座布置间距等工艺参数对其固有频率的影响规律。
在此基础上,开展循环水泵激励下的管路系统动力响应计算,分析管路进出阀门、法兰等关键位置的动态位移,为管路系统低噪声建造工艺提供理论依据。
图1给出了循环水系统管路的有限元模型,管路系统中管路尺寸有3种,分别为
φ340×16,φ140×8,φ90×6。
管路材料密度为8 600 kg/m3,弹性模量为1.15E11 Pa,泊松比为0.33。
管内介质为水,密度为1 000 kg/m3。
模型采用梁单元建立,以质量点的形式模拟法兰阀门等管路配件。
对于循环水泵、冷凝器以及滑油冷却器采用Solid45进行实体建模[8-9]。
有限元模型中采用弹簧阻尼单元模拟挠性接管的刚度及阻尼,图2给出了循环水
泵与阀架连接示意图,循环水泵通过8个BE400型减振器连接至L型阀架上,过弹簧单元来模拟减振器的刚度及阻尼[10]。
图3中给出了挠性接管的局部模型。
下面分析循环水管路系统的固有频率及固有振型。
计算结果表明:管路内介质为滑油时,其前几阶固有频率较水管路增大约3%。
当管路为蒸汽管路或排风管路时,其固有频率较充液管路明显增大,且对前四阶固有频率影响较为显著。
由此表明,在数值计算管路系统固有频率时,必须充分考虑管内介质的影响。
图5给出了循环水管路系统的前八阶振型。
如图5所示:一阶、三阶振型表现为冷凝器管路的变形模式;二阶、四阶振型表
现为滑油冷却器附件管路的变形模式;五阶振型表现为冷凝器支管管路与滑油冷却器管路的变形模式;高阶振型仍表现为滑油冷却器附件管路的变形模式。
当管路充油或充气时,各阶固有频率较充水管路升高,但对应各阶振型的变形模式无显著变化,这里不在赘述。
下面探索管路支座间距对循环水管路系统固有频率的影响规律。
如表2所示:循环水管路系统的各阶固有频率随着固定支座间距的减小显著增大,且高阶固有频率增幅更能为显著。
图6给出了循环水管路系统管路支座间距为1m时的前六阶振型。
如图6所示:循环水管路系统的各阶固有频率随着固定支座间距的减小显著增大,且各阶振型亦发生改变。
一阶、二阶振型表现为冷凝器管路的变形模式,其余各阶振型均为滑油冷却器附件管路的变形模式。
在循环水系统管路模态分析基础上,下面开展循环水管路系统在水泵、辅冷凝器、滑油冷却器联合激励下的管路系统动力响应计算,分析管路进出阀门、法兰等关键位置的动态位移。
图7给出了循环水管路系统典型测点布置位置。
其中测点1为滑油冷却器附近直
管测点,测点2为冷凝器附近直管测点,测点3为循环水泵附近管路测点。
图8
给出了循环水管路系统典型管路测点处振动加速度级曲线。
图9给出了循环水管
路系统各挠性接管及阀门出口处的测点布置位置。
图10给出了循环水管路系统在设备激励下各挠性接管及阀门出口处的振动加速度计曲线。
如图10所示,挠性接管出口1及阀门出口1处中高频振动加速度级幅值较大,应采取合理的减振降噪措施。
图11给出了水管路系统弯管及三通管处的测点布置位置。
图12给出了循环水管
路系统弯管及三通管处振动加速度级曲线。
如图12所示:弯管1处在100 Hz以上频段振动响应剧烈。
结合图8、图10和
图12可以看出,循环水管路系统在滑油冷却器附近管路振动响应较为剧烈,应采用相应的减振降噪措施。
本文借助有限元软件分析循环水系统的管路模型的固有频率及相应振型,开展了循环水泵激励下的管路系统动力响应分析。
主要结论如下:
1)针对循环水管路系统而言,若不考虑管内介质将导致管路各阶固有频率显著增大,因此在数值计算管路系统固有频率时必须充分考虑管内介质的影响。
2)循环水管路系统一阶、三阶振型表现为辅冷凝器管路的变形模式;二阶、四阶振型表现为滑油冷却器附件管路的变形模式;五阶振型表现为辅冷凝器支管管路与滑油冷却器管路的变形模式;高阶振型仍表现为滑油冷却器附件管路的变形模式。
3)循环水管路系统的各阶固有频率随着固定支座间距的减小显著增大,且高阶固有频率增幅更显著。
4)循环水管路系统在滑油冷却器附近管路振动响应较为剧烈,应采用相应的减振降噪措施。
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