復(fù)合材料面板對筒型基座整體抑振機(jī)制影響規(guī)律研究

梅志遠(yuǎn)，楊 坤，邱家波

（海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢 430033）

基座作為艦船裝置系統(tǒng)與船體的必備連接結(jié)構(gòu)，其主要功能是承載設(shè)備重量和工藝連接過渡。目前，艦船上通常使用鋼質(zhì)基座，質(zhì)量較大，阻尼系數(shù)較小，振動抑制能力較差。以潛艇為例，設(shè)備基座數(shù)量眾多，其重量影響潛艇的有效裝載，安裝于浮心以上的基座直接影響潛艇的穩(wěn)性。復(fù)合材料本身具有輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計性強(qiáng)、耐腐蝕等特性，通過添加特定阻尼材料或采用阻尼夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計可實現(xiàn)較好的減振耗能功能。復(fù)合材料的眾多優(yōu)點使得其在先進(jìn)艦艇減振設(shè)計領(lǐng)域越來越受到重視。Pardhan等［1］通過激振試驗研究了不同分層土壤上機(jī)械基座的動態(tài)響應(yīng)。Madhav等［2］針對復(fù)合材料合成沉箱基座開展了理論試驗對比研究。國內(nèi)針對復(fù)合材料基座研究尚處于結(jié)構(gòu)設(shè)計和基座試驗、仿真研究階段，毛亮等［3］通過仿真模型優(yōu)化了兩種新型夾芯復(fù)合材料基座的結(jié)構(gòu)形式，郎彥［4］通過仿真研究了復(fù)合材料層合板基座的振動特性，文獻(xiàn)［5-6］提出了兩種夾芯復(fù)合材料基座結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案并開展了基座激振試驗研究，趙樹磊等［7］對金屬基座和復(fù)合材料基座進(jìn)行振動傳遞特性對比試驗研究，上述研究結(jié)果均表明復(fù)合材料基座具有較好的隔振效果。前面所述的復(fù)合材料基座均采用整體成型設(shè)計，不具備較好的阻抗可設(shè)計性，本文提出一種面板采用復(fù)合材料夾芯設(shè)計的新型復(fù)合材料筒型基座結(jié)構(gòu)形式；通過阻抗理論與激振試驗研究面板結(jié)構(gòu)參數(shù)對復(fù)合材料基座減振機(jī)制的影響規(guī)律。

1 筒型復(fù)合材料基座結(jié)構(gòu)形式［8］

提出一種具備輕質(zhì)高阻尼特點的筒型復(fù)合材料減振基座，該基座遵循以高阻尼與高阻抗實現(xiàn)高減振效果的設(shè)計原則，在實現(xiàn)承載基本要求的同時，有效提高減振效果。如圖1所示為本文提出的具備空間與阻尼設(shè)計優(yōu)勢的復(fù)合材料基座結(jié)構(gòu)形式。

圖1 復(fù)合材料筒型基座結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structural style of composite foundation

基座分別由復(fù)合材料面板1、嵌入式連接環(huán)2，環(huán)壁間阻尼芯材3，內(nèi)外層環(huán)壁4、6，內(nèi)部支撐5及連接螺孔7、8組成。該基座為軸對稱結(jié)構(gòu)，柔性面板中心開孔與被隔振設(shè)備螺栓連接，柔性面板與嵌入連接環(huán)連接，連接環(huán)嵌入阻尼芯材中，內(nèi)外環(huán)壁采用復(fù)合材料層合圓柱殼板，內(nèi)外環(huán)壁間填充阻尼芯材，基座底部環(huán)向布置螺孔與船體結(jié)構(gòu)連接。

面板是筒形基座結(jié)構(gòu)的重要組成部分。根據(jù)筒形基座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，面板采用夾芯結(jié)構(gòu)形式，充分發(fā)揮復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)具備剛度、強(qiáng)度可設(shè)計性強(qiáng)的優(yōu)點。通過選擇合適的阻尼芯材以及設(shè)計合理的芯材厚度，可在滿足結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度要求的同時提高結(jié)構(gòu)耗能的能力。

2 基座阻抗特性分析

圖2 筒型基座剖面及阻抗簡化模型Fig.2 Section plane of cylindrical foundation and simplified impedance modal

由于同時具備承載/減振功能，在實際應(yīng)用時，該基座可作為隔振器處理，而通過阻抗理論分析隔振器減振效果是進(jìn)行隔振器設(shè)計的主要內(nèi)容，因此對該基座阻抗特性進(jìn)行理論分析，并通過阻抗理論研究面板結(jié)構(gòu)特性對基座減振效果的影響。考慮到嵌入連接環(huán)的重量較填充芯材重量至少重10倍，可以忽略填充筒壁間芯材的質(zhì)量。將面板質(zhì)量和激振器的質(zhì)量效應(yīng)之和簡化為質(zhì)量m1，剛度K1的彈性元件和阻尼為C1的阻尼元件并聯(lián)，忽略其質(zhì)量，定位環(huán)簡化為質(zhì)量m2，底部填充芯材視為具有一定剛度K2（該剛度由芯材剪滯作用以及底部板架的彈性彎曲提供）的彈性元件和阻尼為C2的阻尼元件并聯(lián)。減振基座剖面及阻抗簡化系統(tǒng)模型見圖2。

以力傳遞率為理論分析模型的減振評價指標(biāo)，假設(shè)基礎(chǔ)剛度為無限大，通過四端參數(shù)法，得到簡化模型的力傳遞率為：

Fig.3 Transfer ratio with different stiffness ratio λ and different damping ratio ξ1

圖3（a）顯示：傳遞率的峰值出現(xiàn)在λ=1，兩個子系統(tǒng)固有頻率接近時，即當(dāng)質(zhì)量比u=0.1，面板芯材剛度比要避開k2/k1=10；隨著λ的錯開值越大，力傳遞率值下降趨勢趨于平緩；圖3（b）顯示：面板阻尼比ξ1的改變對系統(tǒng)的共振頻率影響不大；阻尼比變化對非共振區(qū)的力傳遞率值幾乎沒有影響。

3 夾芯面板剛度、阻尼特性分析

復(fù)合材料夾層面板的靜/動力學(xué)特性分析主要分為面板剛度試驗和面板結(jié)構(gòu)阻尼試驗研究。

（1）材料參數(shù)及面板鋪層方式

復(fù)合材料層合板采用南京玻纖院的S2玻纖織物為增強(qiáng)相，環(huán)氧3201樹脂為基體，層合板力學(xué)參數(shù)：E11=18 GPa，E22=18 GPa，v12=0.06，G12=6.75 GPa。由于面板結(jié)構(gòu)為圓形，其鋪層方式采用有利于環(huán)形承載的準(zhǔn)各向同性鋪層，鋪層方式見表1。

表1 面板鋪層方式Tab.1 Layer sequence of the faceplates

（2）夾芯面板剛度分析

復(fù)合材料夾芯面板剛度試驗試件尺寸外徑150 mm，內(nèi)徑12 mm。采用螺栓連接形式，通過Letry萬能試驗機(jī)采集力和位移曲線，進(jìn)而得到面板剛度，試驗過程如圖4所示。面板試件其余尺寸及剛度試驗結(jié)果如表2。

（3）夾芯面板結(jié)構(gòu)阻尼分析

夾芯面板受振動彎曲時，芯材受拉伸和剪切變形產(chǎn)生阻尼損耗。通過衰減法得面板結(jié)構(gòu)阻尼比，分別考慮芯材厚度變化、表層厚度變化對面板首階結(jié)構(gòu)阻尼比的影響，測試結(jié)果曲線如圖5所示。

圖4 面板剛度試驗Fig.4 Stiffness test of the faceplates

表2 面板試件尺寸及剛度試驗結(jié)果Tab.2 Size of the faceplate sample

圖5 芯材、表層厚度變化對面板阻尼比的影響Fig.5 The damping ratio of the faceplate at various thickness of the core and face materials

試驗結(jié)果顯示：無論增加芯材厚度或增加表層厚度都使得面板結(jié)構(gòu)的自由衰減阻尼比（1階阻尼比）減小，原因在于：增加芯材厚度時，雖然參與剪切和拉伸變形的芯材量增加，但夾芯結(jié)構(gòu)的剛度也增加，使得芯材剪切和拉伸變形減小，面板阻尼損耗減小；表層厚度的增加同樣帶來剛度增加，振動彎曲變形減小，阻尼損耗減小。

4 筒型基座減振特性試驗研究

4.1 激振試驗系統(tǒng)設(shè)計

圖1所示為復(fù)合材料筒型基座樣機(jī)。機(jī)械噪聲頻率范圍一般為10～1 000 Hz，船體結(jié)構(gòu)共振頻率一般為10～60 Hz，特殊情況下，機(jī)械噪聲振動頻率可達(dá)到2 000 Hz，因此，采用調(diào)節(jié)頻率為0～2 000 Hz的電磁激振器進(jìn)行激振試驗。試驗采用板基礎(chǔ)來模擬基座的工作環(huán)境。試驗現(xiàn)場如圖6所示，板基礎(chǔ)鋼板尺寸為560 mm×560 mm×5 mm，四角焊接重質(zhì)量塊固定支撐。用丹麥B＆K公司的TS5856電荷放大器，及加速度傳感器，信號采集用北京京南航天數(shù)據(jù)技術(shù)公司研制的MDR采集分析系統(tǒng)。

圖6 復(fù)合材料基座激振試驗現(xiàn)場Fig.6 Vibration damping test field picture of the plate foundation

4.2 減振效果評價指標(biāo)

理論上，板架基礎(chǔ)剛度并非完全剛性，采用插入損失作為評價指標(biāo)最為合適，本文僅考慮復(fù)合材料面板結(jié)構(gòu)參數(shù)對基座減振機(jī)制的影響規(guī)律，作橫向?qū)Ρ葧r，以振級落差為指標(biāo)是可取的，而且振級落差在試驗過程中也較容易獲得。由于基座與基礎(chǔ)的安裝接觸實際為多點接觸，本文的振級落差計算采用公式［9］：

式中：、分別為基座上、下方加速度響應(yīng)的測量值。N為測點數(shù)目。基座上方面板中心加速度測量點為測點2，N=1。基座下方與板基礎(chǔ)連接處加速度測點3～10（圖4中僅標(biāo)出測點3），N=8。如果采用測點11～14（圖中僅標(biāo)出測點11）信號，N=4，式（2）為面板振級差。振級落差與面板振級差的差值即為筒壁振級差。振級落差LD與力傳遞率LI存在關(guān)系［10］：

其中，ZM為機(jī)械設(shè)備阻抗，ZF為基礎(chǔ)阻抗。可知力傳遞率與振級落差之差和基座的阻抗無關(guān)。因此，在討論面板結(jié)構(gòu)參數(shù)對基座減振效果的影響的過程中，激振試驗采用振級落差作為評價指標(biāo)，理論分析采用力傳遞率作為評價指標(biāo)，兩者是一致的。

4.3 試驗結(jié)果分析

（1）不同面板安裝基座頻響分析

進(jìn)行結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)分析的目的是了解基座在安裝條件下動力學(xué)固有屬性，以了解基座結(jié)構(gòu)共振頻率范圍和共振峰分布規(guī)律。圖7為不同面板安裝條件下，基座的頻率響應(yīng)曲線。

圖7 不同面板加速度線性譜Fig.7 Acceleration linear spectrum of different faceplate

圖7顯示：① 隨著剛度的增加，面板首階共振頻率增加；由于面板剛度整體比較小，且采用了夾芯設(shè)計，夾芯阻尼芯材的阻尼損耗能力較強(qiáng)，在整個頻域范圍內(nèi)損耗效果較好；測點3比測點11在低頻段加速度響應(yīng)略小；在高頻段，測點3明顯小于測點11，特別是試件E的測試結(jié)果，由此可知，在該頻段范圍內(nèi)，筒壁內(nèi)填充高分子聚氨酯阻尼材料的高頻損耗能力得以體現(xiàn)。② 面板A剛度較小，且出現(xiàn)了較多局部響應(yīng)峰值，由面板B，C測點2的線性譜可知，隨著面板剛度的增加，其局部共振響應(yīng)峰值減少，面板D，E局部共振響應(yīng)峰值也在減少，出現(xiàn)的高頻共振峰值由基礎(chǔ)整體共振響應(yīng)被激起所致。③ 隨著剛度的增加，加速度線性譜出現(xiàn)明顯的高頻駐波，剛度越大，高頻駐波峰值越多。因此，在滿足結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的同時，對于基礎(chǔ)的高頻響應(yīng)控制而言，基座剛度越小越好。而面板A，B，C激起的基礎(chǔ)響應(yīng)較小。可以認(rèn)為：用增加芯材厚度來提高剛度，更有利于控制高頻振動峰值數(shù)量和幅值。

（2）振級落差分析

根據(jù)測到的加速度頻譜信號，通過式（2）計算基座振級落差、面板振級差，進(jìn)而得到筒壁振級差，以討論面板結(jié)構(gòu)參數(shù)對基座減振機(jī)制的影響規(guī)律。對測試頻段（0＜ω＜2 000 Hz）的振級落差作全頻段分析，不同面板安裝基座的振級落差、面板振級差、筒壁振級差的平均值如表3所示。不同芯材厚度面板的基座振級落差頻譜曲線如圖8所示，不同表層厚度面板的基座振級落差頻譜曲線如圖9所示。

圖8 不同芯材厚度面板的基座振級落差頻譜曲線Fig.8 Vibration level difference spectrum of the foundation at various thickness of the core

表3 不同面板測試全頻段振級落差平均值Tab.3 Vibration level difference average at whole frequency of different panels

由表3可知：① 隨著面板芯材和表層厚度的增加，基座的減振能力降低，但芯材厚度的變化相對表層厚度變化對基座減振效果的影響要小很多。面板表層厚度增加2 mm，使得減振效果降低4.5 dB。而芯材厚度增加6 mm，減振效果僅降低1.1 dB。該面板剛度對基座減振機(jī)制的影響規(guī)律與阻抗理論預(yù)測中λ＜1的情況相同；② 面板振級差明顯大于筒壁振級差，說明夾層復(fù)合材料面板耗能水平高于環(huán)壁間阻尼芯材；③在測試全頻段范圍內(nèi)測點11～14的響應(yīng)峰值數(shù)目減少，作全頻段平均值處理時，筒壁振級差隨著面板剛度的增加而減小，從全頻段看，面板剛度增加不利于筒壁間阻尼芯材減振耗能。④ 面板振級差隨芯材厚度增加而增加，說明芯材高頻損耗對振級差貢獻(xiàn)隨芯材厚度增加而增加。⑤ 面板振級差隨表層厚度增加而減少，表層剛度的增加不利于面板芯材耗能。

同時，由于試件E的剛度達(dá)到了834 N/mm，其基座在承載83.4 kg，面板靜力最大變形1 mm時，基座減振卻達(dá)到了22.7 dB，減振效果較好。

圖9 不同表層厚度面板的基座振級落差頻譜曲線Fig.9 Vibration level difference spectrum of the foundation at various thickness of the face

由圖8可知：芯材厚度變化對系統(tǒng)振級落差的影響與頻段相關(guān)。在較低頻段ω＜400 Hz（Ⅰ區(qū)）芯材厚度的增加，對結(jié)構(gòu)的振級落差影響不大，因為在該頻段，基座的減振控制為剛度控制區(qū)，面板靜剛度隨芯材厚度增加變化較小；在中間頻段（Ⅱ區(qū)），由于芯材厚度增加，面板結(jié)構(gòu)阻尼比減小，振級落差隨著芯材厚度增加而減小；在高頻段（Ⅲ區(qū)），由于剛度控制減弱，即使剛度增加使結(jié)構(gòu)振級落差減小，但面板夾芯阻尼材料以及筒壁間的阻尼芯材的高頻耗能得到了體現(xiàn)，抵消了剛度減小帶來的影響，隨著芯材厚度的增加，振級落差值甚至出現(xiàn)增大。

由圖9可知：表層厚度的增加使得結(jié)構(gòu)振級落差減小，減振效果降低，出現(xiàn)該結(jié)果是因為表層厚度增加使得面板剛度明顯增加，因此，調(diào)整表層厚度能較明顯地控制低頻率區(qū)段（ω＜400 Hz）的振動。同增加芯材厚度類似；在高頻區(qū)域，芯材的阻尼耗能水平急劇上升，所體現(xiàn)的是阻尼和剛度的共同作用，同時還有高頻駐波作用，所以減振效果在高頻區(qū)域（ω＞400 Hz）規(guī)律不明顯。

5 結(jié)論

采用夾芯面板設(shè)計的筒型復(fù)合材料基座結(jié)構(gòu)形式提高了基座減振設(shè)計空間。研究表明：

（1）在頻段ω＜400 Hz，基座的減振性能主要受面板剛度抑振機(jī)制的影響；隨著頻率的增加，阻尼高頻損耗抑振機(jī)制影響增強(qiáng)；

（2）增加面板芯材厚度對基座抑振能力的提高不如增加表層厚度明顯，但使得基座高頻減振控制更優(yōu)；

（3）夾層復(fù)合材料面板對基座減振耗能貢獻(xiàn)高于環(huán)壁間阻尼芯材。由于夾芯結(jié)構(gòu)阻尼損耗能力不僅與芯材本身屬性和厚度相關(guān)，同時也受上下表層剛度的影響。

綜上所述，應(yīng)建立準(zhǔn)確的復(fù)合材料面板阻抗理論模型對復(fù)合材料基座進(jìn)行深入研究。

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