环肋圆柱壳振动性能的优化设计

（） １
｛｝ 为节点速度； ｛｝ 为节点加速度；
｛ 为节点载荷 。 通过 给定 结构的边界 条件 ， 由式（ 可 以得到结 １ ） 构 表 面 的位移 、 度 和加速 度 。 速
收稿 日期 ：０ ２ ０ — ２ ２ １— ７ ０
原结构为文献【］ ７中的环肋 圆柱壳 ， 环肋 圆柱壳 相关参数如表 １ 所示 ，环肋 圆柱壳结构激振工况如 图１ 所示 ， 中激振 力 幅值为 １０Ｎ， 用 于极 角 为 ０ 其 ０ 作 度 的位 置 。 设 计 结构 ： 文 献 【】 将 ７中环 肋 圆 柱 壳 每 个 肋 骨 间 距 正 中间 ， 着 圆周 方 向均匀 布 置 ｍ个 圆形孑 ， 沿 Ｌ 圆形 孔的半径为 ｒ结构阻尼系数为 ， ， 环肋 圆柱壳其他参 数 不变 。 表 ２为几种 工况 下 的计算 模 型 。
（ ＝５ ｍ） ｒ ｍ
孔的半径
（ ＝２ ｉ ｒ ０ｌ ｌ ｍ）
孔的半径
（ ＝ ０ｍ ｌ ｒ ６ ｉ） １
设计结构
５
３ ２
０１ ．
８Ｏ １
５０ ５
５０ ５
最大峰值 （Ｂ ｄ）
１６００ｌ ４． ２
１３１７ ２．２ ９
１２８２１ ２． ０
１２２２ ５．８３
３ 有 限 元 网格 划 分
本文对各种 模型用 Ｐ Ｔ Ａ Ａ Ｒ Ｎ进行有 限元建模 ，
图 ４为在工 况 ２时 ， 构表 面均 方法 向速度 级频 结
响曲线， 根据图 ４ 得到结构均方法向速度级的峰值出 现的频率点和峰值大小 ， 将最大峰值频率及最大峰值
在模 型表面与两侧端盖 ，使用 ３ 节点三角形单元进 列 出 ， 如表 ４所示 。 表 中可 以看 出 ， 从 圆形孔 数量 的变 行划分 ， 肋骨使用 ４ 节点四边形单元进行划分 ， 了 为 化， 随着 圆形孔数量的增加 ， 曲线最大峰值经历 了先 保证数值计算结果的准确性 ，在含开孔 的壳体附近 变小 ， 后变 大的过程 ， 大峰值 频率 逐渐变 小 。 最 网格 划 分 密集 ， 远离 开 孔 区域 网格 划 分 稀疏 ， ２为 图 部分工况下模型有限元 网格划分示意图。
Ｅｑ ｉ ｍｅ ｔ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｎｏ １ ２ １ ｎ ｆ ｅｒ ｇＴ ｃ ｎ ｌ ｇ ． ０， ０ ２ ｉ
环肋 圆柱 壳振动性能的优化设计
陈 磊， 金 超
（ 海装 重 庆局 ， 庆 ４００ ） 重 ００ ０
摘 要： 通过 开孔设计 改善 环肋 圆柱 壳壳体振动性能 ， 采用数值仿 真技 术 ， 用结构表 面均 方法向速 度级评价 结构振动性
３ ２
８； ６； ２； ４ １ ３ ６ ３ ２
结构 阻尼 Ⅱ Ｏ
０
Ｏ Ｏ； ． ； １ ００６ ｎ
图 ３ 在 工 况 １时 结构 表面 均 方 法 向速 度 级 频 响 曲线 表 ３ 在 工 况 １时 均 方 法 向 速 度 级 峰 值
完整结构 最大峰值频率 （ ｚ Ｈ） ８０ ９ 孔 的半径
杨氏模量 ＥＮｍ Ｉ／ 泊橙 比 材料密度 ．ｋｌ￣ ，ｇ ， ｍ ｌ 参考速度 ｍ
激振力 ＦＮ Ｉ
２ ６ｘ １ｅ１ ． Ｏ１ ０ Ｏ３ ． ７８Ｏ ５ ５ ０－ ｅ８ ｘ１
１０ ｏ
作者简 介 ： 磊（ ８＿）男 ， 陈 １ ６＿ ， 湖北仙桃人 ， ９ 助理工程师 ， 硕士 ， 研究方 向： 舰船设备可靠性与维修 ； 超（ ８－）男 ， 金 １ ０ ， 重庆人 ， ９ 工程 师 ， 本科 ， 研究方 向： 机械 自动控制与技术 。
图６ 为完整结构与设计结构表面均方法向速度 ＭａｓＪ Ｊｕｎｌｆ ｈ ｃａｉｓ２０ ，０６： １ １７ ｓ ］ ｏｒａ ｏＳ ｉ Ｍｅｈｎｃ，０ ６ １（） ３ － ３ ． ｆ． ｐ １ 级频响曲线 ， 图中可以看出 ， 从 设计结构能有效降低 ［］ ２姚熊亮 ， 方 ， ２ 计 王祖华 ， 周海 波． 座含阻振质 量的动力 舱 基 结构均方法向速度级频响曲线的峰值。 段全频段声振特性数值研究［ ＿ Ｊ 船舶 ，０ ０ （） ４ ４ ． ］ ２ １ ， ： —２ ４３
改善水声设备结构 的振动性能 ，直接关 系到水 由公 式 声设备 的作用距离和 自身隐蔽性 ，对于水声设备的 设计及生产 ， 具有重要 的现实意义。因此 ， 大量 的减 ＜ ：∞ 一２ Ｖ＞ ．． ｌ ｌ ，、 ２ ＜ ＞＝—— Ｌ — 一 （） 振措施被用于振 动结构㈣ 。文献［研究 了通过增加 ４ ］ ∑Ｓ 双层加肋 圆柱壳 的刚度来降低低 频噪声 ； 文献［ 计 ５ ］ 算 了有限长环肋 圆柱壳在水下 的辐射声功率 和振动 均 方速 度 ， 析 了阻 尼 层覆 盖 面积 、 尼 层 刚 度 、 分 阻 环 肋 等对其水下声辐射 的影响 ； 文献［ 研究 了在主动 ６ ］ 可 以得 到结构 面上 的均方 法 向速 度级 。 隔振系统 中， 作动器的刚度放大与控制误差问题 。 式中， 本 文 从 设备 结 构 振动 的角度 出发 ，设 计 了一种 能改善结构振动性能的多孔模型 ，采用数值计算方 ； ｉ 为第 号湿表面单元上的法向位移幅值 ； 法， 得到了在动载荷下 ， 环肋 圆柱壳均方法向速度级 ． 为 第 ｉ号 湿 表 面 单 元 的 面 积 ， ＝ ５Ｘ ｓ 频响曲线 ，并探讨 了通过开孑 设计改善环肋 圆柱壳 １ －（ ／） Ｌ ０ｓ ｍ ｓ 振动 性能 的 可行性 。
。ｌｇ ０ ≥ ：１
（ ３ ）
２ 环 肋 圆柱 壳 振 动 模 型
１ 结构 振动分析 的理论公式
通 过 对模 型进 行有 限元 离散 ， 以得 到 ： 可
［ ｛｝ 【 ｛｝ ］ ｝ ｛ ） ＾ ＋ｃ ＋ ．艿 ＝ Ｆ 幻 ｌ （ ｛
式 中， 为 结构 刚度 矩 阵； 为 结构 质量 矩 阵； Ｃ为结 构 阻尼矩 阵； 为 节点 位 移 向量；
一
图 ５ 在 工 况 ３时 结构 表面 均 方 法 向速 度 级 频 响 曲线 表 ５ 在 工 况 ３时均 方 法 向速 度 级 峰值
阻 尼 （ “＝０ ） 阻 尼 （ ＝００ Ｈ ． ６） 阻尼 （ ０１ ㈣ ）
最大峰 值频 率（ ｚ Ｈ）
最大 峰值（ Ｂ ｄ ）
－ －
（） ａ 完整结构 （） ｂ 设计结构
图 ２ 模 型有限元 网格 图
４ 数值计算 结果分 析
５ ０ ２０ ５ ４０ ５ Ⅲ ｚ ６０ ５
从 结 构 振 动 的角度 出发 ，设 计 了一种 改 善 结构 图 ４ 在 工 况 ２时 结构 表 面 均 方 法 向速 度 级 频 晌 曲线 振动性能的多孔模型 ， 采用数值计算方法 ， 得到 了在 表 ４ 在 工 况 ２时 均 方 法 向 速 度级 峰 值 单点激振力作用下 ，自由边界条件 和忽略材料阻尼 孔的数量 Ｉ 孔的数量 Ｊ 孔的数量 时， 环肋 圆柱壳均方法 向速度级频响曲线 ， 并探讨了 （ 七：ｌ ） １ （ ６ ． ＝３ ） Ｉ （ ２ ｋ：６ ４） 通过开孔设计 ， 改善环肋 圆柱壳振动性能的可行性。 最 峰 频 （）＝ ｍ ６ ｝ ５ ｌ ２ 大 值 率ｒ ｆ２ ｍ ｔｒ０ ） ｚ ４ ５ １ ０ ０ ０ 最大峰值（Ｂ ＝ ０ ｍ ｄ） ２ｍ） １ ． １９４ １２０ ４ １ ．７６ ４ １ ８ ｌ ２．２ ０ Ｉ ２ ６ ７ ７８５ ８ １ ５ ７８０ ６ 激振频率取 ５ ｚ ｏ ｚ ０ —ｌ ｏＨ ，其中 ５ ｚ ５０ ｚ Ｈ ｏ ０Ｈ ０ ， Ｈ 间 隔为 ５Ｈｚ５ ０Ｈ —ｌ ０ ｚ 问隔 为 ｌ ｚ ，０ ｚ ０Ｈ ， ０ ＯＨ 。 图 ５为 在工 况 ３时 ，结 构表 面 均 方 法 向速 度 级 图 ３为 在 工 况 １ ，结 构 表 面均 方 法 向 速度 级 频 响 曲线 ， 图 中可 以看 出 ， 着 结 构 阻 尼 的增 大 ， 时 从 随 频 响 曲线 ，根据 图 ３ 到结构 均 方 法 向速度 级 的峰 结 构 表 面均 方 法 向速 度 级 频 响 曲线 峰 值 明显 降 低 。 得 值 出现的频率点和峰值大小 ，将最大峰值频率及最 根据 图 ５ 得到结构均方法 向速度级 的峰值出现 的频 大峰值列出 ， 如表 ３ 所示。从表中可 以看 出， 随着 圆 率点和峰值大小 ， 将最大峰值频率及最大峰值列 出 ， 形孔半径的增大 ， 曲线最大峰值频率逐渐变小 ， 最大 如表 ５所示 。从表 中可 以看 出 ，随着 结 构 阻尼 的增 峰值经历 了先变小后变大的过程 。 大， 最大峰值频率降低 ， 最大峰值降低。
２ ３ ５
Ｅ ｕｐ ｎ ＭHale Waihona Puke Baidu ｕ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｎ ．０， ０ ２ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｎ ｆ ｃｒ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｏ １ ２ １ ｉ
５ 结束语
从 水 下设 备 结构 振 动 的角 度 出发 ，设 计 了一 种 改善 水 下设 备 结构 振 动性 能 的 多孔 模 型 ，采 用 数 值
能， 发现开孔对 于改善结构的振 动性能有一 定效果。对于水下设备振动性 能优化设计有一定的参考价值 。
关键词 ： 环肋 圆柱 壳； 开孔 ； 有限元 ； 振动 中图分类号 ： ６ ３１ Ｕ ６． 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６ ２ ５ ５ ２ １ １ － ２ ２ ０ １ ７ — ４ Ｘ（ ０ ２）０ ０ ５ — ３
表 １ 环 肋 圆 柱 壳 相 关 参数
柱壳轴 向长度 柱亮直径 柱壳板厚 两端盖板厚
环肋宽度 环肋板厚度
Ｌｍ ｌｍ Ｄｍ ｌｍ ｓ 如ｍ Ｓｍ ，ｍ ／
／ｍ ／ ａ ｒ Ｓ￣ｍ ｙ ｍ
１ ０ ５ ９ １２Ｏ ７ ６３ ＿ ５ ２． ５４
５． ０８ １． ２７
取 ０１ ．。
【］ ｉ Ｊ ｎ ｈ ａ Ｊ ｉ — ｉ ， ｉ ｉ — ｉ． ｔ ｎ ａ ｏ ｆｔｅ １ Ｌｕ ｉ — ｕ ， ｉ Ｘ ａ ｄｎ Ｌ ａ ｂｎ Ａ ｔ ｕ ｔ ｎ ｏ ｈ ａ ｎ ｎ ｇ Ｘ ｏ ｅ ｉ
Ｐ ａ ｅＦ ｅ ｕ ａ ａ ｅＴ ａ ｓ ｓ ｉｎ Ｔ ｒ ｕ ｈ ａ Ｖ ｂ ａｉ ｎ Ｉｏａ ｉｎ ｌｔ ｌｘ ｒ ｌ Ｗ ｖ ｒ ｎ ｍｉ ｏ ｈ ｏ ｇ ｉ ｒ ｔ ｓ ｌ ｔ ｓ ｏ ｏ
２２ ５
《 装备制造技术）０ ２ ） １ 年第 ｌ 期 ２ ０
板厚 板 宽
图 １ 环 肋 圆柱 壳 结 构 示 意 图
表 ２ 不同工况下的计算模型
况 完整结构
１
２ ３
孔 的半径 ｒ ｒ ｌａ ｍ ０
５２ ６ ； ０； ０
２ ０ ２ Ｏ
孔的数量 ＝８× Ｏ
８０ ９
１６０ ０ｌ ４． ２
２５ ４
９ ． ８１ ６ ９ ８ ２
２５ ４
９ ．７ ２１ ０ ４ ３
定 的参考 价值 。
基于 以上 的结论 ，设计用于探索 的多孔环肋圆 柱壳 ， 开孔半径 ｒ ５ ｍ， ＝ 开孔数量 ｋ＝ ２ 结构阻尼 参 考 文献 ： ｍ ３，
计算方法 ， 得到了在单点激振力作用下 ， 自由边界条
件 和忽 略材 料 阻尼 时 ，环 肋 圆柱 壳 均 方法 向速 度 级
％
频响曲线 ，探讨 了通过开孔改善环肋圆柱壳振动性 能 的可行 性 。结 果 表 明 ， 当忽 略 结 构 阻尼 时 ， 过 合 通
理选 择 开孔 的半 径 ，数 量 能够 有 效 降低 结 构 均 方 法 向速度 级频 响 曲线 的最大 峰值 。在 此基 础 之上 ， 大 增 结构 阻 尼 系数 ，能 够 进一 步 改善 环 肋 圆柱 壳 振 动 性 能 。本 文 的结论 对 于水 下 设备 振 动 性 能优 化 设 计 有