毛亮 牟金磊

摘 要：為研究夾芯復(fù)合材料基座的減振效果影響因素及適用范圍，設(shè)計(jì)了兩種不同支撐骨架形式的夾芯復(fù)合材料基座，并對(duì)骨架和基座分別進(jìn)行了減振試驗(yàn)，試驗(yàn)中記錄了輸入和輸出測(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，利用加速度分貝來(lái)表示振級(jí)，計(jì)算了兩種骨架和基座在不同頻率輸入載荷激勵(lì)作用下的減振效果。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：在高頻率載荷激勵(lì)下，弧形支撐基座減振效果略好于直支撐基座；在低頻載荷作用下直支撐基座減振效果好于弧形支撐基座。

關(guān)鍵詞：夾芯復(fù)合材料；基座；減振效果

引言

自上世紀(jì)六十年代以來(lái)，復(fù)合材料技術(shù)迅速發(fā)展，由于具有低密度、高阻尼和無(wú)磁性等特點(diǎn)，復(fù)合材料在艦艇上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，其中夾芯復(fù)合材料減振裝置基座就是其中之一。艦艇上各種動(dòng)力機(jī)械和裝置系統(tǒng)工作時(shí)都可以引起船體振動(dòng)，并向周圍輻射噪聲。各種設(shè)備及裝置系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲不僅嚴(yán)重影響艦艇的使用性能，而且直接影響到艦艇的聲隱身性能和戰(zhàn)斗力。

目前減振裝置在設(shè)計(jì)時(shí)一般將基座視為剛性結(jié)構(gòu)，而基座結(jié)構(gòu)占據(jù)了大量的艦艇結(jié)構(gòu)重量和設(shè)備安裝空間，一艘近三千噸的中型潛艇，各種機(jī)械和設(shè)備的鋼制基座總數(shù)近一千座，總重量300～400噸。國(guó)外的先期研究結(jié)果證明[1，2]：三明治夾芯復(fù)合材料，通過(guò)表層和芯層的合理設(shè)計(jì)而具有良好的阻尼和吸振特性，將其應(yīng)用于艦艇設(shè)備基座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)與現(xiàn)役減振系統(tǒng)的有機(jī)配合，將進(jìn)一步提高艦艇設(shè)備的減振降噪水平[3]。采用復(fù)合材料基座不僅能夠有效降低基座結(jié)構(gòu)的重量，同時(shí)能夠有效提高機(jī)械、設(shè)備抗水下沖擊的能力，同時(shí)由于復(fù)合材料的高阻尼和無(wú)磁特性，復(fù)合材料基座還能有效減少艦艇的聲、磁特征信號(hào)。復(fù)合材料基座集基座結(jié)構(gòu)承載與減振功能于一體通過(guò)與減振器進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，無(wú)論是從理念上，還是從發(fā)展前景上來(lái)看都具有重大意義[4]。

目前在艦艇設(shè)備減振技術(shù)的發(fā)展方面，常用的手段主要包括浮筏技術(shù)，橡膠隔振技術(shù)，增加基座質(zhì)量技術(shù)以及各種類型的減振器、阻尼器的設(shè)計(jì)技術(shù)，而將基座結(jié)構(gòu)與減振設(shè)備一體化的設(shè)計(jì)技術(shù)目前在我國(guó)還未見(jiàn)應(yīng)用。本文根據(jù)夾芯結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)了直立支撐和弧形支撐兩種類型的復(fù)合材料基座，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)其減振效果及影響因素進(jìn)行了分析。本文結(jié)論可為艦艇不同裝備減振基座的選擇提供參考。

2 夾芯復(fù)合材料基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 夾芯結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)點(diǎn)

夾芯結(jié)構(gòu)采用上面板與下面板之間夾著芯材，用粘結(jié)劑將三者粘結(jié)成為整體結(jié)構(gòu)。夾芯結(jié)構(gòu)傳遞荷載的方式類似于工字梁[5]。當(dāng)夾芯結(jié)構(gòu)承受載荷時(shí)，上面板被拉伸，下面板被壓縮，芯材傳遞二者的剪切力，使上、下面板和芯材三者成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)；芯材可以有效地增大夾芯結(jié)構(gòu)的厚度，提高斷面的慣性矩，使整個(gè)夾芯結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固，能夠經(jīng)受住大載荷，滿足高強(qiáng)結(jié)構(gòu)的要求。

夾芯結(jié)構(gòu)增加框架空間后比重小、堅(jiān)固、跨度大，還可大大提高剛度。此外還有下列優(yōu)點(diǎn)：吸收更多的能量以提高強(qiáng)度，承載時(shí)板變形，彈性吸收能量，然后釋放應(yīng)變能，封閉框架結(jié)構(gòu)的撓曲較??；結(jié)構(gòu)性能較好，因?yàn)榭蚣芤桩a(chǎn)生局部應(yīng)力，是產(chǎn)生缺陷的根源，也增加重量，減少框架就能提高材料的整體結(jié)構(gòu)性能；抗?jié)B透性好，如果上面板破裂，芯材可吸收大量能量，使下面板不受損；能滿足特殊局部載荷、整體載荷的要求，密度低、剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可充分利用所有組成材料的全部機(jī)械性能；蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)可采取模壓或其他工藝，加工成各種構(gòu)件，也可制成箱式斷面等形式以提高構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以采用箱式結(jié)構(gòu)。

總之，夾芯結(jié)構(gòu)具有密度小、結(jié)構(gòu)性能好（特別是剛度大、慣性矩大）、設(shè)計(jì)自由、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是新穎的優(yōu)秀材料。用箱式結(jié)構(gòu)夾芯復(fù)合材料制作基座可以在具有足夠剛度與強(qiáng)度的同時(shí)減輕重量，達(dá)到結(jié)構(gòu)最佳化、材料優(yōu)化不浪費(fèi)的盡善盡美的程度。

2.2 夾芯復(fù)合材料基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)2.1中夾芯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本文提出兩種夾芯復(fù)合材料基座設(shè)計(jì)方案。方案①：面板由纖維復(fù)合材料芯1、2構(gòu)成，并由結(jié)構(gòu)3支撐，在兩層之間的空腔中填充隔振阻尼材料4，可以選擇各種發(fā)泡隔振材料，如發(fā)泡聚氨酯橡膠，并可以根據(jù)關(guān)心的振動(dòng)頻率來(lái)確定材料的厚度和孔隙率。方案②：基座面板由纖維復(fù)合材料層1、2構(gòu)成，并由結(jié)構(gòu)5支撐，在兩層之間的空腔中填充隔振阻尼材料4，支撐結(jié)構(gòu)5可加大基座的彎曲強(qiáng)度和剛度，此方案與方案①比較，具有更好的柔度特性。模型尺寸：長(zhǎng)190mm，寬110mm，高100mm，方案②中弧形支撐的曲率半徑為140mm。

在骨架中填充低密度的芯材可提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。同時(shí)，具有相同承載能力的夾芯結(jié)構(gòu)要比實(shí)體結(jié)構(gòu)輕好幾倍。此外，芯材還起到加強(qiáng)了整體強(qiáng)度，降低了單位體積的成本、降低了結(jié)構(gòu)振動(dòng)等作用。芯材的作用機(jī)理是將剪切力從上下夾層傳向內(nèi)層，這樣使得上下夾層在靜載荷和動(dòng)載荷下都能保持穩(wěn)定，并且可以通過(guò)吸收沖擊能量來(lái)提供抗破壞性能。芯材大致上可以分成三類：泡沫類（可以視情況選擇柔度）；蜂窩類以及膜袋制法的三維織物或無(wú)紡布。芯材4可以選擇高分子阻尼材料，如聚氨酯、橡膠等，并可以根據(jù)設(shè)備主要的振動(dòng)頻率來(lái)確定材料的選取。

3 夾芯復(fù)合材料基座減振試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了解不同支撐方式和夾芯材料對(duì)基座減振降噪效果的影響，分別以不同支撐方式的不加芯骨架結(jié)構(gòu)和夾芯基座結(jié)構(gòu)作為對(duì)象進(jìn)行減振試驗(yàn)。試驗(yàn)用鋼架底板模擬船底板工況制成模型，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸潭ㄓ阡摷苌?，旋緊固定螺旋；將一小型電機(jī)安裝到模型的面板上，通過(guò)測(cè)量模型上下的加速度信號(hào)，來(lái)考核不同方案基座的減振效果；采取調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法分別在1500r/min、600r/min對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)，來(lái)分析不同頻率輸入載荷對(duì)基座減振效果的影響。

試驗(yàn)中在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕厦姘宀贾?個(gè)測(cè)點(diǎn)（其中兩個(gè)測(cè)點(diǎn)布置于電機(jī)安裝用底板板面上），測(cè)量其加速度信號(hào)，作為模型上面板受到的振動(dòng)激勵(lì)；在鋼架底板上距模型下面板較近處布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量其加速度信號(hào)，檢驗(yàn)電機(jī)激勵(lì)引起的振動(dòng)通過(guò)模型后的降低值，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏p振效果進(jìn)行考察；分析試驗(yàn)結(jié)果，比較兩種復(fù)合材料基座及其骨架減振效果，并分析試驗(yàn)結(jié)果誤差產(chǎn)生的原因。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖和模型照片見(jiàn)圖1。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

艦艇機(jī)械振動(dòng)的頻率范圍一般為10Hz-2000Hz，因而在試驗(yàn)分析時(shí)主要對(duì)0Hz-2500Hz頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)進(jìn)行分析。

通過(guò)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到各測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)值的時(shí)間頻譜，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得出各測(cè)點(diǎn)的加速度線性譜。1、2測(cè)點(diǎn)位于復(fù)合材料基座上表面，3、4測(cè)點(diǎn)位于設(shè)備安裝底板上，這四個(gè)點(diǎn)作為加速度激勵(lì)信號(hào)的輸入。相對(duì)應(yīng)的各個(gè)加速度激勵(lì)信號(hào)輸出點(diǎn)為5、6、7、8位于試驗(yàn)鋼架上靠近復(fù)合材料基座處，作為加速度響應(yīng)信號(hào)輸出。分別對(duì)比直支撐和弧形支撐復(fù)合材料骨架和加入芯材后的基座1、5測(cè)點(diǎn)，2、6測(cè)點(diǎn)，3、7測(cè)點(diǎn)，4、8測(cè)點(diǎn)的加速度線性譜見(jiàn)圖2至圖5。

由加速度傳遞函數(shù)線性譜圖可以看出，主要振動(dòng)峰值出現(xiàn)在200HZ之前以及800HZ以后，此時(shí)虛線的峰值大大高于實(shí)線的峰值，而且跳動(dòng)較虛線大。這說(shuō)明復(fù)合材料基座及其骨架結(jié)構(gòu)的減振效果良好。從頻譜圖上可以看出，實(shí)線的加速度峰值相對(duì)于虛線的加速度峰值有著向左下偏移的趨勢(shì)。這說(shuō)明復(fù)合材料基座在降低振動(dòng)的同時(shí)將高階頻率的振動(dòng)變成相對(duì)較低階頻率的振動(dòng)。這與高分子材料的減振機(jī)理相符合。

在試驗(yàn)中采用“加速度分貝”來(lái)表示振動(dòng)級(jí)，則加速度均值a的分貝數(shù)可以表示為：

其中a1表示復(fù)合材料基座面板上安裝的1、2、3、4各個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的加速度幅值在0-2500HZ上積分，a2表示相對(duì)應(yīng)的5、6、7、8各個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度線性譜在各頻帶上的求和。根據(jù)（1）式分別對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min、600 r/min弧形支撐和直支撐基座及其骨架結(jié)構(gòu)的減振效果進(jìn)行計(jì)算結(jié)果如表1-2所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 骨架形式對(duì)減振效果的影響

弧形支撐比直支撐具有更好的可設(shè)計(jì)性，在相同條件下能夠保證一定基座剛度，并可以通過(guò)調(diào)整曲率半徑來(lái)改變應(yīng)變[4]。所以，直觀上感覺(jué)弧形基座的減振效果應(yīng)該比直支撐基座好，因?yàn)榛駝?dòng)造成了弧形支撐基座曲率變化，以至于基座的剛度變化，從而造成了阻尼效果的變化。但是從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，不同形式骨架夾芯復(fù)合材料基座的減振效果與輸入載荷的頻率有關(guān)，在高頻載荷作用下弧形支撐基座減振效果好于直支撐基座，在低頻載荷作用下弧形支撐基座減振效果反而不如直支撐基座。這是由于基座的隔振效果由阻抗和阻尼共同決定，兩種基座剛度相差不大，但弧形支撐骨架是在高頻激勵(lì)下阻尼運(yùn)動(dòng)劇烈，所以此時(shí)隔振效果較好；而在低頻段，弧形支撐骨架基座更利于能量傳遞，所以此時(shí)弧形支撐骨架基座的隔振效果沒(méi)有直支撐骨架基座好。

3.3.2 夾芯材料對(duì)減振效果的影響

加入芯材后的復(fù)合材料基座的減振效果明顯高于單純的骨架結(jié)構(gòu)。對(duì)于基座，大部分測(cè)點(diǎn)減振效果都在10db以上，平均減少振動(dòng)12db以上；而基座骨架減振效果大部分測(cè)點(diǎn)在5db以下。這表明芯材在基座減振過(guò)程中吸收了大部分的能量，芯材選取對(duì)基座的減振效果非常重要。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)夾芯復(fù)合材料基座減振試驗(yàn)可以看出復(fù)合材料基座具有良好的減振效果；復(fù)合材料基座的減振效果與輸入載荷的頻率有關(guān)，在高頻率載荷激勵(lì)下，弧形支撐基座減振效果略好于直支撐基座；在低頻載荷作用下直支撐基座減振效果好于弧形支撐基座，不同環(huán)境可以選擇不同的基座。合理選用夾芯復(fù)合材料基座可以提高艦艇設(shè)備的減振降噪水平，復(fù)合材料減振基座在艦艇上具有廣泛的應(yīng)用前景。

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