楊云昭，黃光勝，陳晨

民用飛機機身蒙皮阻尼減振降噪效果分析

楊云昭，黃光勝，陳晨

（上海飛機設(shè)計研究院，上海200436）

粘彈性阻尼材料廣泛用于大型客機的客艙減振降噪。以一塊機身蒙皮壁板為例，研究了采用自由阻尼層結(jié)構(gòu)的減振效果。數(shù)值仿真結(jié)果表明，在金屬壁板表面附加阻尼結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)的固有頻率降低，模態(tài)損耗因子增大；但是附加額外的阻尼層，會有額外的增重。

粘彈性；阻尼；減振降噪；模態(tài)損耗因子

民用飛機在飛行過程中，機身蒙皮受激震動，會導致客艙內(nèi)噪聲過大，引發(fā)乘客的不適。因此，必須要進行減振降噪設(shè)計。本文以機身上一塊蒙皮壁板為例，研究自由阻尼的減振效果，為民用飛機中此類結(jié)構(gòu)的減振降噪設(shè)計提供一定的參考。

1 阻尼減振技術(shù)

粘彈阻尼減振技術(shù)被廣泛用于結(jié)構(gòu)動力學控制、減振降噪等場合。其得到廣泛使用的一個原因是粘彈性阻尼材料在較寬的溫度和頻率范圍內(nèi)都具有良好的阻尼能力，對結(jié)構(gòu)進行附加阻尼處理能有效地增強結(jié)構(gòu)的振動能耗散能力[1]。傳統(tǒng)的阻尼減振方式包括自由阻尼層處理和約束阻尼層處理，它們都需在原結(jié)構(gòu)上附加一層或多層阻尼材料。其中，附加的阻尼層只完成阻尼耗散功能，結(jié)構(gòu)的載荷仍需要由基體結(jié)構(gòu)來承擔。

自由阻尼結(jié)構(gòu)是將一層具有大阻尼的材料直接粘附在需要作減振降噪處理的結(jié)構(gòu)件上。機械振動時，阻尼層隨結(jié)構(gòu)件作彎曲振動，阻尼材料產(chǎn)生交變的拉壓應(yīng)力和應(yīng)變，使結(jié)構(gòu)的振動能量得到損耗而達到減振降噪目的，如圖1（a）所示。而約束阻尼結(jié)構(gòu)，則在自由阻尼的基礎(chǔ)上，再附加一層金屬層，利用金屬與阻尼材料之間的彈性模量差，通過剪切變形耗能，如圖1（b）所示[2]。

圖1 阻尼結(jié)構(gòu)的耗能原理

相比約束阻尼結(jié)構(gòu)，自由阻尼結(jié)構(gòu)形式簡單，更多地用于各類機械或結(jié)構(gòu)的降噪，尤其是用于薄殼結(jié)構(gòu)的曲面上。只要在金屬表面上按照曲面形狀粘貼一層阻尼層就可以，工藝方法簡單易行。上述處理因增加阻尼而起到減振降噪作用；同時，阻尼層降低薄殼結(jié)構(gòu)的聲輻射率，對某些封閉或半封閉結(jié)構(gòu)，阻尼層還具有隔聲作用，都有利于控制噪聲[3]。

2 算例分析

2.1 未做阻尼處理的蒙皮板

以一塊化銑蒙皮區(qū)域為研究對象，將其簡化為長400 mm，寬150 mm，厚度1.2 mm的平板，邊界條件為四邊固支。材料為2 000系列鋁合金，材料密度2 767 kg/m3，整個結(jié)構(gòu)重量為199.224 g，采用MSC. PATRAN中的殼單元（QUAD4）建模，網(wǎng)格規(guī)模為40 mm×15 mm，如圖2所示。

圖2 蒙皮簡化模型

考查蒙皮板前5階模態(tài)，各階模態(tài)的固有頻率見表1.該結(jié)構(gòu)的前五階模態(tài)均為彎曲模態(tài)，鋁合金結(jié)構(gòu)近乎是一個彈性體，結(jié)構(gòu)的模態(tài)損耗因子在1×10-4量級，其本身耗散振動能量的能力幾乎可以忽略。

表1 蒙皮板前5階模態(tài)頻率

2.2 自由阻尼處理壁板

下面對該壁板進行自由阻尼處理。在蒙皮板表面敷設(shè)一層自由阻尼層，阻尼層材料為ZN-1型丁基阻尼橡膠。材料厚度3 mm，尺寸為130 mm×380 mm，鋪設(shè)于整個壁板的中間位置，基層及阻尼層的材料屬性見表2.

表2 自由阻尼結(jié)構(gòu)各層的材料屬性

阻尼層采用兩層實體單元建模（Hex8），網(wǎng)格規(guī)模38 mm×13 mm，如圖3所示。因為阻尼材料有損耗因子，需采用復(fù)特征值分析方法（COMPLEX EIGENVALUE）.

圖3 自由阻尼結(jié)構(gòu)有限元模型

考查附加自由阻尼結(jié)構(gòu)后，金屬壁板的前5階固有頻率和模態(tài)損耗因子，見表3.在鋁合金壁板表面附加一層阻尼層后，結(jié)構(gòu)的前五階模態(tài)頻率相比原結(jié)構(gòu)（見表1）顯著降低，說明整個結(jié)構(gòu)的剛度特性降低了。結(jié)構(gòu)的模態(tài)損耗因子由萬分之幾增至0.4%以上，說明附加的阻尼層顯著地增強了壁板的減振能力。此外，附加自由層后，整個結(jié)構(gòu)重332.6 g，增重66.7%.

表3 附加自由阻尼后結(jié)構(gòu)的前5階模態(tài)頻率和模態(tài)損耗因子

3 結(jié)束語

本文針對商用飛機上常用的自由阻尼結(jié)構(gòu)的降噪性能的進行了研究分析。結(jié)果表明，在客艙機身鋁合金壁板表面敷設(shè)一層自由阻尼結(jié)構(gòu)后，壁板的剛度特性降低，而結(jié)構(gòu)的模態(tài)損耗因子增加，結(jié)構(gòu)的降噪與吸振能力獲得了增強。但是，附加的阻尼結(jié)構(gòu)也會帶來額外的增重。

[1]戴德沛.阻尼減振降噪技術(shù)[M].西安：西安交通大學出版社，1986.

[2]林松.粘彈性夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計方法研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2012.

[3]劉棣華.粘彈阻尼減振降噪應(yīng)用技術(shù)[M].北京：宇航出版社，1990.

Study on Damping for Noise Control in the Fuselage Skin of the Civil Aircraft

YANG Yun-zhao，HUANG Guang-sheng，CHEN Chen
（Shanghai Aircraft Design&Research Institute，Shanghai 200436，China）

Viscoelastic materials are widely used in vibration and noise control engineering.In this paper，a study on the damping characteristic using viscoelastic material in the fuselage skin of the civil aircraft is presented.The results showed that，after a free damping treatment，the stiffness capacity of the skin is decreased，while the loss factor of the structure increased a lot;besides，the weight of the structure is higher.

viscoelastic；damping；vibration and noise control；loss factor

TB535.1

A

1672-545X（2017）07-0241-02

2017-04-19

楊云昭（1990-），男，安徽滁州人，碩士，助理工程師，研究方向：飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計。