论文部分内容阅读
[摘 要]当前，船舶在控制减振降噪方面面临的难题，主要是船舶通液管道系统的振动噪声问题，这个问题涉及范围广泛，包括结构动力学、管道声学、流体力学等多个领域。当前，结构动力学、管道声学、流体力学尚无成熟的一体化求解技术，使得船舶通液管道的减振降噪一直存在。本文主要结合水动力的瞬态效应载荷相关计算法，对创建管道振动噪声研究模型进行了探讨，以期能促使船舶通液管道的减振降噪控制工作的进一步发展。
[关键词]通液管道；振动；噪声；方法
中图分类号：U661.44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0107-01
由于船舶管道系统结构比较复杂，致使船舶通液管道的振动噪声问题至今尚无实用的计算、评估和有效控制方法。解决船舶通液管道的振动噪声问题主要有以下两个难点：（1）管道系统的水动力载荷难以确定，如果通过对流体力学进行计算获得载荷数据，会因此产生过高的成本而很难实现。比如，湍振载荷和水锤效应等。（2）至今为止，船舶行业尚无关于管道声振数值计算的实用性研究成果作为参考，对建立全频域的振动噪声模型存在很大困难。
1.船舶通液管道的载荷及流体计算
1.1 主要噪声源及外部载荷
噪声源主要分为机械和水动力两种，其中机械振源产生的原因主要是由于机器失衡、轴线偏差、轴角偏差、底座松动、轴承间隙、管带偏差、支撑框架破坏等问题造成的；而水动力振源的产生原因主要是由于流场的压力脉动及瞬态效应造成的，其中包括围绕流场的正弦脉动等[1]。此外，在对管道系统的振动噪声进行耦合计算时，还需要考虑到外部载荷因素，具体包括流体载荷、动力设备产生的扰动载荷和由振动产生的载荷等。
1.2 流体瞬态变化效应
流体瞬态变化是指由于流场速度以及压力突然发生变化时，引起较大的压力致使管道发出很大的噪声，甚至会使管道发生变形、泄露、破损的现象。为节省管道流体力学的计算成本，可将以下公式计算得出的水动力载荷值直接输入到管道振动噪声的计算模型中进行计算。
由流场的瞬态效应所产生的辐射噪声共振频率可以根据Blevins的公式进行计算：
上式中，为辐射噪声的共振频率，单位是Hz；n 是整数1， 2， 3…；a表示声音在液体条件下的传播速度，单位是m /s ；L 表示管道长度，单位是m。
对于另一端的流通管道，辐射噪声的共振频率可以根据以下公式进行计算：
压力扰动的传播时间可以根据以下公式进行计算：
上式中，L是阀门至管道的空腔端部距离，单位是m。
假设为压力扰动的产生时间（比如开关阀门时所用的时间）。当与满足的条件不同时，产生的流体瞬态效应也不同。比如，水锤效应，水锤效应使管道受到的破坏性最大。此外，阀门的快速关闭开启，也会在管道内引起液压冲击从而产生振动噪声[2]。
当流场速度出现突变时，比如快关水泵时，<，由于突然关闭水泵造成的压力升幅可以根据Joukowsky 的公式进行计算：
式中，P为突然关闭水泵时造成的压力变化值，单位是 Pa；表示在干扰条件下的流体速度变化值，单位是m /s 。
相反的情况，比如快开水泵时，压力产生的降幅可以根据下列公式进行计算：
上式中，表示压力降幅，单位是m；表示由水锤效应造成的最大压力的升值，单位是m；H是管道系统在停滞时的水头压力，单位是m。
2.船舶通液管道振动噪声问题的计算方法
管道的振动噪声分析的频率范围分为高、中、低三个频域，在船舶行业中，80 Hz 以下的频段范围属于低频域；100Hz至250Hz频段属于中频域；250Hz 以上的范围属于高频域，不同的频域所使用的计算方法也不一样[3]。一般情况下，低频域使用声学有限元法进行计算，中频域使用混合法进行计算，高频域使用统计能量法进行计算。全频域的计算结果则通过各频段模型的计算结果处理相关数据，最终作出声压频响曲线。
3.船舶通液管道振动噪声的算例分析
3.1 管道振动噪声计算的模型
由于全统计能量模型在管道振动噪声问题上并不适用，因此，管道的振动噪声计算只要建立有限元模型、混和模型即可，但是要注意的是二者需要联合应用，才能得出有效的计算数据。
3.2 管道振动分析与模型试验的结果对比
对上述模型加载不同方向的三个载荷在管道端口的流体及管道上，其中X 轴、Y轴、Z轴分别代表管道轴向、管道水平、管道垂直方向。X 轴的激励源于流体瞬态效应，以压力进行模拟；Y轴、Z轴的激励来源于自动力设备的振源，以单位力进行模拟。通过本文第1.2节中的公式计算如下：
管道端口到弯曲处的长度为5.8m，a值是1 480m/s，压力扰动的传播时间根据公式（3）计算，=7.84ms。假设关闭阀门的时间为0.5ms[21]，则 <。海水的密度为1026 kg/m3，压力的变化值根据公式（4）计算，P=0.31MPa。模型管道一端与阀门连接，根据公式（2）计算，前三阶段的共振频率fAP分别为63.8 Hz、191.4 Hz 和319Hz。
将上述计算出的载荷数据值代入计算模型进行计算，本文主要计算有限元和混合模型在不同方向的单位力激振下的弯曲和振动速度等级。本文将管道振动分析的结果和模型试验的结果经过对比发现，二者规律相符。因此，本文使用全频域模型对管道振动噪声的分析具有可靠性。
4.结束语
近年来，管道被应用到能源、化工及石油开采等多个领域。因此，进行管道振动噪声分析意义重大。由于以往的研究并未对管道的振动和噪声建立全频域模型进行深入的分析，本文参考文献中关于水锤效应和湍流诱导振动的计算公式，对管道的振动和噪声数值了分析，使用VAone软件创建出管道振动噪声的分析模型，通过对此模型的振动和噪声数值预报、计算和试验对比，发现本文使用的计算法具备可行性，希望对管道的减振降噪控制有所帮助。
参考文献
[1] 蒋亚礼.船舶通液管线振动噪声分析与复合阻尼材料优化设计研究[J].上海交通大学，2013，01（01）：12-15.
[2] 程荣.45MN快锻液压机缷压管道振动及噪声分析与消除措施[J].液压与气动，2012，01（07）：102.
[3] 蒋亚礼，杨德庆，林新志，鲍明慧等.船舶通液管道振动噪声分析简易方法[J].中国造船，2012，53（04）：50.
[关键词]通液管道；振动；噪声；方法
中图分类号：U661.44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0107-01
由于船舶管道系统结构比较复杂，致使船舶通液管道的振动噪声问题至今尚无实用的计算、评估和有效控制方法。解决船舶通液管道的振动噪声问题主要有以下两个难点：（1）管道系统的水动力载荷难以确定，如果通过对流体力学进行计算获得载荷数据，会因此产生过高的成本而很难实现。比如，湍振载荷和水锤效应等。（2）至今为止，船舶行业尚无关于管道声振数值计算的实用性研究成果作为参考，对建立全频域的振动噪声模型存在很大困难。
1.船舶通液管道的载荷及流体计算
1.1 主要噪声源及外部载荷
噪声源主要分为机械和水动力两种，其中机械振源产生的原因主要是由于机器失衡、轴线偏差、轴角偏差、底座松动、轴承间隙、管带偏差、支撑框架破坏等问题造成的；而水动力振源的产生原因主要是由于流场的压力脉动及瞬态效应造成的，其中包括围绕流场的正弦脉动等[1]。此外，在对管道系统的振动噪声进行耦合计算时，还需要考虑到外部载荷因素，具体包括流体载荷、动力设备产生的扰动载荷和由振动产生的载荷等。
1.2 流体瞬态变化效应
流体瞬态变化是指由于流场速度以及压力突然发生变化时，引起较大的压力致使管道发出很大的噪声，甚至会使管道发生变形、泄露、破损的现象。为节省管道流体力学的计算成本，可将以下公式计算得出的水动力载荷值直接输入到管道振动噪声的计算模型中进行计算。
由流场的瞬态效应所产生的辐射噪声共振频率可以根据Blevins的公式进行计算：
上式中，为辐射噪声的共振频率，单位是Hz；n 是整数1， 2， 3…；a表示声音在液体条件下的传播速度，单位是m /s ；L 表示管道长度，单位是m。
对于另一端的流通管道，辐射噪声的共振频率可以根据以下公式进行计算：
压力扰动的传播时间可以根据以下公式进行计算：
上式中，L是阀门至管道的空腔端部距离，单位是m。
假设为压力扰动的产生时间（比如开关阀门时所用的时间）。当与满足的条件不同时，产生的流体瞬态效应也不同。比如，水锤效应，水锤效应使管道受到的破坏性最大。此外，阀门的快速关闭开启，也会在管道内引起液压冲击从而产生振动噪声[2]。
当流场速度出现突变时，比如快关水泵时，<，由于突然关闭水泵造成的压力升幅可以根据Joukowsky 的公式进行计算：
式中，P为突然关闭水泵时造成的压力变化值，单位是 Pa；表示在干扰条件下的流体速度变化值，单位是m /s 。
相反的情况，比如快开水泵时，压力产生的降幅可以根据下列公式进行计算：
上式中，表示压力降幅，单位是m；表示由水锤效应造成的最大压力的升值，单位是m；H是管道系统在停滞时的水头压力，单位是m。
2.船舶通液管道振动噪声问题的计算方法
管道的振动噪声分析的频率范围分为高、中、低三个频域，在船舶行业中，80 Hz 以下的频段范围属于低频域；100Hz至250Hz频段属于中频域；250Hz 以上的范围属于高频域，不同的频域所使用的计算方法也不一样[3]。一般情况下，低频域使用声学有限元法进行计算，中频域使用混合法进行计算，高频域使用统计能量法进行计算。全频域的计算结果则通过各频段模型的计算结果处理相关数据，最终作出声压频响曲线。
3.船舶通液管道振动噪声的算例分析
3.1 管道振动噪声计算的模型
由于全统计能量模型在管道振动噪声问题上并不适用，因此，管道的振动噪声计算只要建立有限元模型、混和模型即可，但是要注意的是二者需要联合应用，才能得出有效的计算数据。
3.2 管道振动分析与模型试验的结果对比
对上述模型加载不同方向的三个载荷在管道端口的流体及管道上，其中X 轴、Y轴、Z轴分别代表管道轴向、管道水平、管道垂直方向。X 轴的激励源于流体瞬态效应，以压力进行模拟；Y轴、Z轴的激励来源于自动力设备的振源，以单位力进行模拟。通过本文第1.2节中的公式计算如下：
管道端口到弯曲处的长度为5.8m，a值是1 480m/s，压力扰动的传播时间根据公式（3）计算，=7.84ms。假设关闭阀门的时间为0.5ms[21]，则 <。海水的密度为1026 kg/m3，压力的变化值根据公式（4）计算，P=0.31MPa。模型管道一端与阀门连接，根据公式（2）计算，前三阶段的共振频率fAP分别为63.8 Hz、191.4 Hz 和319Hz。
将上述计算出的载荷数据值代入计算模型进行计算，本文主要计算有限元和混合模型在不同方向的单位力激振下的弯曲和振动速度等级。本文将管道振动分析的结果和模型试验的结果经过对比发现，二者规律相符。因此，本文使用全频域模型对管道振动噪声的分析具有可靠性。
4.结束语
近年来，管道被应用到能源、化工及石油开采等多个领域。因此，进行管道振动噪声分析意义重大。由于以往的研究并未对管道的振动和噪声建立全频域模型进行深入的分析，本文参考文献中关于水锤效应和湍流诱导振动的计算公式，对管道的振动和噪声数值了分析，使用VAone软件创建出管道振动噪声的分析模型，通过对此模型的振动和噪声数值预报、计算和试验对比，发现本文使用的计算法具备可行性，希望对管道的减振降噪控制有所帮助。
参考文献
[1] 蒋亚礼.船舶通液管线振动噪声分析与复合阻尼材料优化设计研究[J].上海交通大学，2013，01（01）：12-15.
[2] 程荣.45MN快锻液压机缷压管道振动及噪声分析与消除措施[J].液压与气动，2012，01（07）：102.
[3] 蒋亚礼，杨德庆，林新志，鲍明慧等.船舶通液管道振动噪声分析简易方法[J].中国造船，2012，53（04）：50.