夾芯復(fù)合材料基座減振效果的試驗(yàn)研究

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點(diǎn)的加速度信號，將測試結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，利用加速度分貝來表示振級，計(jì)算了兩種骨架和基座在不同頻率輸入載荷激勵作用下的減振效果。通過對試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：在高頻率載荷激勵下，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，復(fù)合材料技術(shù)迅速發(fā)展，由于具有低密度、高阻尼和無磁性等特點(diǎn)，復(fù)合材料在艦艇上的應(yīng)用也越來越廣泛，其中夾芯復(fù)合材料減振裝置基座就是其中之一。艦艇上各種動力機(jī)械和裝置系統(tǒng)工作時都可以引起船體振動，并向周圍輻射噪聲。各種設(shè)備及裝置系統(tǒng)的振動和噪聲不僅嚴(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，同時能夠有效提高機(jī)械、設(shè)備抗水下沖擊的能力，同時由于復(fù)合材料的高阻尼和無磁特性，復(fù)合材料基座還能有效減少艦艇的聲、磁特征信號。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與減振器進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，無論是從理念上，還是從發(fā)展前景上來看都具有重大意義[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)目前在我國還未見應(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，通過對其進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對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，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)心的振動頻率來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，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載荷下都能保持穩(wěn)定，并且可以通過吸收沖擊能量來提供抗破壞性能。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)備主要的振動頻率來確定材料的選取。

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，通過測量模型上下的加速度信號，來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對各測點(diǎn)進(jìn)行測量并記錄數(shù)據(jù)，來分析不同頻率輸入載荷對基座減振效果的影響。

試驗(yàn)中在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕厦姘宀贾?個測點(diǎn)（其中兩個測點(diǎn)布置于電機(jī)安裝用底板板面上），測量其加速度信號，作為模型上面板受到的振動激勵；在鋼架底板上距模型下面板較近處布置4個測點(diǎn)，測量其加速度信號，檢驗(yàn)電機(jī)激勵引起的振動通過模型后的降低值，對試驗(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)測點(diǎn)布置圖和模型照片見圖1。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

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

通過振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到各測點(diǎn)的加速度響應(yīng)值的時間頻譜，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得出各測點(diǎn)的加速度線性譜。1、2測點(diǎn)位于復(fù)合材料基座上表面，3、4測點(diǎn)位于設(shè)備安裝底板上，這四個點(diǎn)作為加速度激勵信號的輸入。相對應(yīng)的各個加速度激勵信號輸出點(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)信號輸出。分別對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測點(diǎn)，2、6測點(diǎn)，3、7測點(diǎn)，4、8測點(diǎn)的加速度線性譜見圖2至圖5。

由加速度傳遞函數(shù)線性譜圖可以看出，主要振動峰值出現(xiàn)在200HZ之前以及800HZ以后，此時虛線的峰值大大高于實(shí)線的峰值，而且跳動較虛線大。這說明復(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于虛線的加速度峰值有著向左下偏移的趨勢。這說明復(fù)合材料基座在降低振動的同時將高階頻率的振動變成相對較低階頻率的振動。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”來表示振動級，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各個測點(diǎn)測得的加速度幅值在0-2500HZ上積分，a2表示相對應(yīng)的5、6、7、8各個測點(diǎn)加速度線性譜在各頻帶上的求和。根據(jù)（1）式分別對電機(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，并可以通過調(diào)整曲率半徑來改變應(yīng)變[4]。所以，直觀上感覺弧形基座的減振效果應(yīng)該比直支撐基座好，因?yàn)榛駝釉斐闪嘶⌒沃位首兓?，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?yàn)結(jié)果來看，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下阻尼運(yùn)動劇烈，所以此時隔振效果較好；而在低頻段，弧形支撐骨架基座更利于能量傳遞，所以此時弧形支撐骨架基座的隔振效果沒有直支撐骨架基座好。

3.3.2 夾芯材料對減振效果的影響

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)。對于基座，大部分測點(diǎn)減振效果都在10db以上，平均減少振動12db以上；而基座骨架減振效果大部分測點(diǎn)在5db以下。這表明芯材在基座減振過程中吸收了大部分的能量，芯材選取對基座的減振效果非常重要。

4 結(jié)束語

通過夾芯復(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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