夏齊強(qiáng) 陳志堅(jiān)

（海軍工程大學(xué)船舶與海洋工程系 武漢 430033）

0 引 言

隨著反潛探測(cè)手段和反潛武備的發(fā)展，潛艇聲隱身問(wèn)題日益突出.雙層圓柱殼作為潛艇艙段結(jié)構(gòu)的主要形式，其水下振動(dòng)和聲輻射性能對(duì)潛艇的聲隱身性顯得尤為重要.文獻(xiàn)［1－2］指出實(shí)肋板等橫向構(gòu)件是內(nèi)外殼振動(dòng)能量傳遞的主要途徑，雙層殼間耦合很強(qiáng).當(dāng)內(nèi)殼受到激勵(lì)力振動(dòng)時(shí)，殼間實(shí)肋板可直接將振動(dòng)波非常有效地傳遞到外殼上，外殼振動(dòng)引起潛艇向海水中輻射噪聲.欲降低雙層殼振動(dòng)與輻射噪聲，從抑制振動(dòng)波傳遞入手，對(duì)殼間肋板進(jìn)行新材料、新結(jié)構(gòu)的研發(fā)應(yīng)用不失為一種較好的方法.尋求一種能有效抑制振動(dòng)波的傳遞的新型肋板結(jié)構(gòu)，對(duì)降低雙層圓柱殼的輻射噪聲具有重要意義.

從引俄潛艇和資料［3］中可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)展結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用，在國(guó)外較為成熟，如阻振質(zhì)量塊、浮筏、軸系縱向減振器等結(jié)構(gòu)，但少有探討殼間連接結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)的報(bào)道.國(guó)內(nèi)對(duì)殼間連接結(jié)構(gòu)的研究，主要是針對(duì)已有的實(shí)肋板和托板連接形式下的振聲性能分析［4－6］.目前姚熊亮等［7－8］通過(guò)在托板上添加阻尼材料的方式提出了阻尼托板結(jié)構(gòu)，以減小托板對(duì)雙層殼振動(dòng)聲輻射的影響；基于阻抗失配原理，通過(guò)在舷間主傳遞通道上敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層，設(shè)計(jì)了幾種高傳遞損失的復(fù)合托板結(jié)構(gòu)形式.

本文基于阻尼減振原理，從抑制聲橋振動(dòng)波傳遞出發(fā)，利用結(jié)構(gòu)增阻思想構(gòu)造了2種金屬橡膠層疊阻尼減振肋板，對(duì)雙層殼進(jìn)行了振聲特性仿真計(jì)算，分析了阻尼肋板參數(shù)變化對(duì)雙層殼振聲性能的影響.

1 阻尼板減振機(jī)理及力學(xué)性能測(cè)試

1.1 金屬－橡膠層疊阻尼板減振機(jī)理

對(duì)于固體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和聲輻射，尤其是阻尼很小的金屬薄板材料，阻尼起著重要作用，可有效衰減振動(dòng)傳遞能量.金屬橡膠層疊阻尼板既具有金屬材料的強(qiáng)度，又有良好的阻尼特性，對(duì)共振峰值的抑制、固體傳聲的降低有明顯效果，有著廣泛的應(yīng)用前景.為闡明阻尼減振機(jī)理，以圖1所示金屬橡膠層疊阻尼板為研究對(duì)象進(jìn)行減振分析.

圖1 金屬－橡膠阻尼板分析模型

由于橡膠屬高分子粘彈性材料，不僅具有較大的阻尼，而且具有較小的彈性模量，與鋼結(jié)構(gòu)相比質(zhì)量也很小，這樣就形成質(zhì)量彈簧阻尼減振系統(tǒng)，力學(xué)模型見(jiàn)圖1b）.系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可寫為

令m1＝m2＝m，c1＝c2＝c，k1＝k2＝k，應(yīng)用Cramer法則，可求得實(shí)振幅為

于是，η1＝0.382，η2＝2.62.

以阻尼比ζ作參數(shù)，按式（3）繪制動(dòng)力放大系數(shù)曲線，見(jiàn)圖2.該圖表明，振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼比ζ越小，當(dāng)激振力頻率接近振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，動(dòng)力放大系數(shù)急劇上升.隨著阻尼比ζ的增大，動(dòng)力放大系數(shù)逐漸減小.可見(jiàn)，增加系統(tǒng)的阻尼，動(dòng)力放大系數(shù)在全部頻帶上都被壓低了，尤其是共振峰處降低更明顯.因此，為抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，可增加振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼.

圖2 動(dòng)力放大系數(shù)曲線

設(shè)系統(tǒng)原有阻尼c，增加阻尼c1.如果原有系統(tǒng)的阻尼比為ζ，那么增加阻尼c1后的阻尼比為

上式表明，如果附加阻尼c1比原先的阻尼c大得多，阻尼比ζ′將遠(yuǎn)大于ζ，動(dòng)力放大系數(shù)將顯著減小，從而達(dá)到減振的目的.由此可知，若殼間實(shí)肋板采用金屬橡膠層疊阻尼鋼板，由于橡膠材料的粘彈性高阻尼特性，不僅可以增大結(jié)構(gòu)阻尼，而且還可與金屬層形成質(zhì)量彈簧減振系統(tǒng)，從而有效降低結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，起到減振降噪的效果.

1.2 阻尼板力學(xué)性能測(cè)試

參照GB／T18258—2000《阻尼材料、阻尼性能測(cè)試方法》，對(duì)3件橡膠阻尼板進(jìn)行阻尼性能測(cè)試.樣件長(zhǎng)200 mm、厚8 mm、寬10 mm、密度1180kg／m3，見(jiàn)圖3.將橡膠阻尼材料制成非自由支撐阻尼材料件，一端固定，一端自由安裝.用激振器對(duì)自由端進(jìn)行正弦掃描激勵(lì)，由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出10～325Hz范圍內(nèi)，步長(zhǎng)為25Hz的正弦信號(hào)，用力傳感器、加速度傳感器測(cè)試激勵(lì)力和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，得到頻響函數(shù).采集數(shù)據(jù)時(shí)，分析頻率取2000Hz，選取128次線性平均，6400條線譜，采用漢寧窗.利用半功率帶寬法測(cè)試結(jié)構(gòu)共振頻率.對(duì)3組樣件測(cè)試結(jié)果取平均值，表1為阻尼板儲(chǔ)能模量和損耗因子在固有頻率處測(cè)試值，圖4 為10～325 Hz頻段內(nèi)儲(chǔ)能模量和損耗因子測(cè)試頻譜曲線.

圖3 阻尼板樣件

圖4 阻尼板儲(chǔ)能模量和損耗因子測(cè)試頻譜

表1 阻尼板前5階儲(chǔ)能模量和損耗因子測(cè)試值

2 金屬橡膠阻尼肋板在雙層殼中的應(yīng)用

2.1 不同肋板型式雙層殼振聲性能計(jì)算［9］

以一典型的雙層殼體艙段為例，殼體長(zhǎng)度L＝8m、外殼半徑R1＝2.75 m、內(nèi)殼半徑R2＝2.25m；內(nèi)殼外環(huán)肋截面積A＝7.4×10－3m2、慣性矩I＝2.52×10－5m4；肋距l(xiāng)1＝0.8m，外殼厚h1＝8mm，內(nèi)殼厚h2＝20 mm，2 層殼體間采用實(shí)肋板連接，厚度h3＝8mm.殼體、肋骨、實(shí)肋板采用相同材料，密度ρ＝7.8×103kg／m3，彈性模量E＝2.1×105MPa，泊松比ν＝0.3.

基于第1節(jié)阻尼板減振理論分析，將金屬橡膠層疊阻尼板引入到實(shí)肋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提出兩種型式金屬－橡膠層疊阻尼肋板，見(jiàn)圖5.利用FEM／BEM 法對(duì)肋板改進(jìn)前后雙層殼振聲性能進(jìn)行計(jì)算與分析.設(shè)集中點(diǎn)力為單位簡(jiǎn)諧力，激勵(lì)頻率10～325Hz，激勵(lì)位置為殼體中心.所選的橡膠阻尼材料性能參數(shù)按實(shí)驗(yàn)測(cè)試值作為原始輸入.流體密度1025kg／m3，聲速1560m／s；參考振動(dòng)速度vref＝10－9m／s，聲功率Wref＝0.67×10－18W.

圖5 金屬－橡膠層疊阻尼肋板

圖6為不同肋板型式連接下雙層殼振聲性能比較，其中Original為設(shè)計(jì)前雙層殼，肋板連接型式為普通實(shí)肋板連接；design－1和design－2分別為2種層疊阻尼肋板型式連接雙層殼，模型design－1為金屬－橡膠－金屬?gòu)?fù)合阻尼肋板，模型design－2為橡膠－金屬－橡膠復(fù)合阻尼肋板.由圖6a）、b）可以看出，殼間聲橋采用金屬－橡膠層疊阻尼肋板后，內(nèi)殼振動(dòng)速度級(jí)大體上較原結(jié)構(gòu)增大，而外殼振動(dòng)速度級(jí)均有效降低；這主要是由于復(fù)合阻尼肋板剛度較原肋板降低，減小了兩層殼間耦合，從而引起內(nèi)殼振動(dòng)響應(yīng)增大；另一方面，阻尼肋板增大了聲通道阻尼，使得振動(dòng)能量在聲橋中大幅耗散，因此外殼振動(dòng)響應(yīng)降低.由圖6c）可以看出，除個(gè)別頻率點(diǎn)外輻射聲功率級(jí)較原結(jié)構(gòu)明顯降低，主要表現(xiàn)為：在前兩階共振區(qū)50Hz和60Hz處線譜峰值降低約為40dB；隨著頻率的升高，采用層疊阻尼肋板形式的雙層殼輻射聲功率線譜峰值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這說(shuō)明復(fù)合阻尼肋板對(duì)抑制振動(dòng)噪聲有很好的效果；橡膠－金屬－橡膠型式肋板較金屬－橡膠－金屬型式聲功率級(jí)總體上要小，減振降噪效果更好；由圖6d）可以看出，原結(jié)構(gòu)徑向均方速度級(jí)比在0.6～1.2之間頻變，這說(shuō)明原結(jié)構(gòu)中內(nèi)殼的振動(dòng)能量很大一部分經(jīng)實(shí)肋板傳遞到外殼，有的甚至出現(xiàn)放大效應(yīng)，實(shí)肋板是聲通道主要傳遞途徑；殼間聲橋改進(jìn)后，殼體均方速度級(jí)比顯著降低，這表明采用層疊復(fù)合阻尼肋板新型殼間連接結(jié)構(gòu)具有很好的減振性能，可以有效地控制并衰減振動(dòng)能量的傳遞.

2.2 層疊阻尼肋板參數(shù)變化對(duì)雙層殼輻射噪聲影響

下面分析阻尼材料頻變特性及彈性模量、損耗因子和阻尼層厚度變化對(duì)雙層殼聲輻射性能的影響.

圖6 雙層殼振聲性能比較

圖7 阻尼材料參數(shù)變化對(duì)雙層殼聲輻射性能的影響

圖7為阻尼材料參數(shù)變化雙層殼聲輻射性能的影響.Modulus，damping，h 分別為儲(chǔ)能模量、損耗因子、厚度3個(gè)參量，其中Modulus1＞Modulus2＞Modulus3；damping1＞damping2＞damping3；h3＜h1＜h2.從圖7a）可以看出，在60～160 Hz頻段，由于橡膠力學(xué)性能參數(shù)隨頻率變化平緩，輻射聲功率變化較?。划?dāng)阻尼材料的力學(xué)性能參數(shù)隨頻率變化明顯時(shí)，計(jì)算結(jié)果會(huì)發(fā)生較大變化，這說(shuō)明動(dòng)力分析中有橡膠等頻變材料時(shí)，應(yīng)考慮材料的儲(chǔ)能模量和損耗因子頻變特性.從圖7b）可以看出，隨著橡膠儲(chǔ)能模量的增大，輻射聲功率增大，這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，減小橡膠的儲(chǔ)能模量對(duì)減振降噪更有利.從圖7c）可以看出，在10～200Hz頻段，增大材料損耗因子在較低頻段輻射聲功率級(jí)反而增大；在高于200Hz外，輻射聲功率級(jí)隨著損耗因子的增大而減小；這說(shuō)明橡膠阻尼材料的能量耗散效果在中高頻更好，這也與式（6）吻合，動(dòng)力放大系數(shù)在頻率較高阻尼較大時(shí)衰減更快.由圖7d）可以看出，阻尼層厚度對(duì)雙層殼影響較為復(fù)雜，增大橡膠阻尼層厚度，輻射聲功率反而更大；減小阻尼層厚度，輻射聲功率也較設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)增大.這主要是由于雙層殼中阻尼肋板高度相對(duì)固定，增大橡膠阻尼層厚度勢(shì)必會(huì)減小鋼板厚度，從而使殼間肋板總體剛度減小，如果剛度降低太小，必然引起外殼振動(dòng)劇烈，輻射較高的噪聲；另一方面，如果減小橡膠阻尼層厚度，則會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)能量在聲通道傳遞中損耗減小，使減振效果降低.可見(jiàn)，它涉及動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化，在聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮，合理選擇阻尼層厚度.

3 結(jié) 論

1）殼間聲橋采用金屬－橡膠層疊阻尼肋板，可有效衰減沿結(jié)構(gòu)傳遞的振動(dòng)能量，顯著降低雙層殼輻射噪聲，是一種較好的減振降噪措施.

2）在動(dòng)力分析中，材料力學(xué)參數(shù)的頻變特性對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定影響，頻變劇烈區(qū)，結(jié)果差異較大，必須考慮材料的力學(xué)參數(shù)頻變性能.

3）隨著橡膠儲(chǔ)能模量的減小，金屬－橡膠層疊阻尼肋板減振降噪效果更好；增大阻尼材料的損耗因子對(duì)隔離高頻振動(dòng)更有效；在殼間間距一定的情況下，過(guò)大或過(guò)小對(duì)減振降噪都不利，需要對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，阻尼層的厚度選擇既要保證結(jié)構(gòu)的總體剛度，又要盡量增大阻尼層以提高能量耗散能力，這將在后續(xù)的工作中作進(jìn)一步研究.

綜上所述，金屬－橡膠層疊阻尼肋板結(jié)構(gòu)在雙層殼殼間聲橋的應(yīng)用是一種較好的減振降噪措施.需要注意的是，鑒于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因素，下一步還需要對(duì)殼間連接強(qiáng)度及橡膠材料選取、連接工藝進(jìn)行深入研究.

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