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船用典型基座的低频机械阻抗特性研究

邱中辉郑律岳永威丁建军

（哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001）

摘要：基座的输入机械阻抗直接影响隔振器上、下端的速度振动落差，对隔振效果有影响。由

于试验测船用典型基座的低频机械阻抗时，结构在低频段时很难被激励起来,并且机械阻抗数据相干系

数小，可信度不高。本文使用ABAQUS对舱段进行建模,计算了典型基座低频段的机械阻抗，并分析其

特性，具有一定的工程应用价值。

关键词:基座阻抗；隔振;有限元;低频;

引言

船舶基座的输入机械阻抗作为重要的隔振和声学设计参数，随着舰艇隐蔽性的更

高需求，人们对基座结构的阻抗隔振设计将更加重视，基座的阻抗特性对船舶的噪声控

制有重要意义,阻抗值越大,设备传递给基座的振动能量越小,船体壳体产生的结构振动声

辐射越小,所以基座的声学设计原则就是增加机械阻抗、以减少基座的振幅来达到隔振目

的。

设备基座结构一般安装在主船体结构或甲板上，而且基座结构形式也是多种多样。

因此基座的输入机械阻抗通常可以通过模型试验、实船测量或采用有限元等方法获得。

由于舱段基座在进行阻抗测试时,在低频时舱段结构很难被激励起来,相干函数较

小,所测得数据可信度较低。若大型结构无法激励起来,可以采用多点激励法,但操作起来

很复杂，测试时大多采用单点激励法。本文的计算频率范围为20~200Hz，为达到更高

的计算精度,对有限元模型进行细化处理,分辨率取1Hz。

1基本理论

1.1船体基座机械阻抗

稳定的、定常的、线性振动系统的机械阻抗,等于简谐激励与其所引起的稳态响应的

复数比，假设系统的激励力()

fFexXe

=，其稳态响应=j(t)则该系统的机械阻

jωt+φω+φ

12

抗Z可表示为:

fF

==j

(φ1?φ2)

Ze

xX

当集中力(减振器与基座面板连接的螺栓位置)垂直作用于基座面板，并且频率超过船体

梁一阶弯曲频率

f时，其动力特性表现为细长梁的弯曲振动。对于两端自由的有限长梁，

1

一端作用横向力，其输入机械阻抗为:

?()?

Dkl

Z=?j?mC?

FB()

Bkl

??

式中m梁的线密度，

C为梁中的弯曲波速，D(kl)，B(kl)为克雷洛夫函数，k为梁

B

的弯曲振动波数，l为梁的长度。

船体基座是弹性结构,其机械阻抗函数非常复杂,在高频段可看成相应的无限大系

统的机械阻抗,低频段很大范围内阻抗幅值是由结构共振和反共振决定的。在低频段时基

座阻抗可以将艇体结构看作梁的阻抗,阻抗近似值与排水量有关;随着频率的升高,阻抗

值则由各种子结构的刚度和特性阻抗决定;在极高频段,基座阻抗由无限大面板的机械

阻抗值来决定,其阻抗值与板厚有关。估算方法的精度并不高,若要在低频时得到复杂基

座结构的机械阻抗准确值,除了试验测试之外,一般依靠有限元法。

1.2有限元法

本文采用ABAQUS有限元软件中的谐响应分析模块进行机械阻抗的计算。谐响应分

析主要用于确定结构在承受随时间按正弦规律变化的荷载时的稳态响应,可计算出结构

在几种频率下的响应值对频率的曲线。在施加激振力后,计算出对应的稳态响应值,提取

激励点处的速度响应，即可根据相关公式得到机械的速速阻抗值。

2舱段典型基座的有限元计算

2.1舱段基座有限元模型的建立

取材料弹性模量E=2.1e11Pa,泊松比μ=0.3,密度为7800kg/m3,结构损耗因子0.

01。进行网格划分。由于测试结果在未加载的情况下得到,为便于比较,不对设备进行建

模，而以质量点代替。划分网格时越细密则计算结果越精确,但对计算资源和时间的消耗

大;网格太粗糙则会丢失许多细节,直接影响计算结果的可靠性,因此有一个合理的优化过

程。当振动波的波长小于单元尺寸时,无法真实表达振动波,为使有限元的离散结构能准

确表述结构中的振动波传播,一个波长内至少应有4个单元。因此网格大小与所要计算的

上限频率有关。本文上限频率为200Hz。完整的全船有限元模型如下图：

图1船体结构模型

2.2模型的计算简化

由于本文采用单点激励法，计算频率范围为20~200Hz，为达到更高的计算精度,

对有限元模型进行细化处理,分辨率取1Hz。由于模型网格很多，计算的时间会很长，不

可能对完整的船体结构进行计算，只能取基座所在的典型舱段结构，但是又要考虑到船

体结构与基座的相互作用，尽量考虑船体振动对基座的反作用，边界条件的简化尽量符

合整船结构。因此取封闭的箱型舱段，作为计算基座阻抗的模型。

本文计算了某船的四个典型的基座，分别是350Kw冷水机组，柴油发电机组（前电

站），冷水机组（燃气轮机舱），右舷柴油发电机组（后